L effetto serra

Le basi: cosa é l' effetto serra

L' effetto serra fu ipotizzato già all' inizio del XIX secolo da Joseph Fourier e da Claude Pouillet, due personaggi che per chi ha una formazione scientifica non dovrebbero aver bisogno di presentazioni. Per chi non li conoscesse, Fourier fu fisico e matematico specializzato nel trasferimento di calore e di energia, celebre per la 'trasformata di Fourier'. Fu lui a ipotizzare per primo l' effetto serra negli anni '20 del 1800 osservando (o meglio, calcolando) che un oggetto che si trovasse nello spazio alla stessa distanza dal sole a cui si trova la Terra, avrebbe una temperatura molto minore.

Pouillet fu fisico e docente di fisica alla Sorbona, e anche lui fu uno specialista di scambio termico ed esotermia, in particolare descrisse un fenomeno (chiamato poi in suo onore Effetto Pouillet) osservato anni prima da un altro scienziato, per il quale versando un liquido su una sabbia secca si sviluppa calore. Fu inoltre specialista di meteorologia, e il primo a quantificare la costante solare.

L' effetto serra viene così chiamato grazie alla descrizione che ne fece Alexander Bell, uno scienziato poi creatore delle telecomunicazioni moderne. Egli scrisse che “il bruciare fonti fossili porterebbe a una sorta di effetto serra, alla fine portando ad aumenti di temperatura che causerebbero una 'serra riscaldata'”.

Ciò che é bene evidenziare però é che l' effetto serra é un fenomeno naturale ed essenziale, che rende il pianeta abitabile e che regola automaticamente le temperature medie sulal sua superficie e nell' atmosfera. Chi invece legge gli svariati articoli eco catastrofisti di cui giornali, gioraletti, siti internet, blog e forum sono pieni, ha spesso l' idea che l' effetto serra sia qualcosa di artificiale, dannoso, pericoloso e da combattere. A coloro mi preme ricordare che uno dei padri della chimica fisica (di fatto era un fisico), Svante Arrhenius, sostenitore dei cambiamenti climatici di origine antropica dovuti all' industrializzazione, scriveva nel 1908 (nel suo libro: Worlds in making):

"Grazie all'influenza della crescente percentuale di acido carbonico nell' atmosfera, possiamo sperare di godere di un' età con climi più uniformi e migliori, in particolare per quanto riguarda le regioni più fredde della terra, una età in cui la terra produrrà colture molto più abbondanti rispetto a ora, per il beneficio di una rapida moltiplicazione dell' umanità."

Inutile dire che Arrhenius fu lungimirante e ci azzeccò in pieno, ma di questo parleremo meglio più avanti.

Come funziona l' effetto serra in pratica? Per spiegarlo paragoneremo il fenomeno proprio a ciò che avviene in una normale serra (*), e poi applicheremo tale ragionamento al nostro pianeta.

Una serra é una struttura chiusa generalmente costruita in acciaio o legno le cui facciate sono costituite da materiale vetroso capace di far passare direttamente la radiazione solare dall' esterno all' interno e indirettamente dall' esterno all' interno. Il trucco del funzionamento della serra sta proprio nel vetro: i raggi solari attraversano il vetro in diverse lunghezze d' onda utilizzate nell' ambiente circostante: quella nello spettro del visibile per illuminare, quelle dello spettro IR per riscaldare. Le piante all' interno della serra assorbono un po' di energia in entrambi gli spettri: con la parte visibile (usualmente tra i 650 e i 700nm) danno origine alla fotosintesi clorofilliana, con al parte infrarossa si riscaldano e a loro volta trasmettono calore all' ambiente circostante. Le radiazioni non assorbite tornano in circolo di nuovo verso il vetro e lo colpiscono, venendo smorzate e riflesse verso l' interno. Alla lunga il vetro stesso si riscalda e rilascia un po' di calore verso l' esterno. Il risultato però é che l' ambiente interno viene 'climatizzato' dalle radiazioni in ingresso dovute al sole e dal calore generato e diffuso dalle piante stesse. Come si diffonde questo calore? L' aria nelle serre, venendo scaldata, si muove formando motti convettivi e diffondendosi uniformemente. Le serre sono dotate generalmente di piccoli sfiati da cui l' aria può essere ricambiata.

Possiamo rappresentare tutto questo con un semplice disegno:

Proprio come in una serra, il nostro mondo é ricoperto da uno strato atmosferico composto prevalentemente da acqua, anidride carbonica, metano, e tanti altri composti, che svolgono il ruolo svolto dal vetro nella serra: filtrano la radiazione solare in ingresso e riflettono verso terra quella proveniente dall' interno. Quando i raggi del sole colpiscono la terra, il 30% della luce visibile viene riflessa indietro nello spazio, il 25% a causa delle nuvole, il 5% del ghiaccio; il 70% viene catturato da questi gas serra, riscaldando la terra e specialmente gli oceani. Le piante, le alghe e il fitoplancton oceanico catturano l' energia solare tramite fotosintesi, e la usano per convertire l'anidride carbonica in carbonio ( appunto il ciclo del carbonio). Nel ciclo naturale del cabonio, circa metà della CO2 atmosferica viene scambiata con le foreste e il suolo e metà con gli oceani, dando come risultato nessun aumento del carbonio in atmosfera. Nel ciclo 'perturbato' del carbonio che in una certa misura é dovuto dall' inquinamento, secondo alcune stime circa un quarto sta andando al suolo e alla vegetazione, un quarto agli oceani e metà si sta accumulando nell' atmosfera, intrappolando il calore del sole. Se le quantità effettivamente possono non essere queste, é comunque innegabile che la produzione energetica dell' era industriale stia scaricando in aria una quantità di CO2 anomala, e questo fattore ha indubbiamente aiutato a far aumentare il suo valore medio dai 288 ppm ipotizzati per gli anni '50 fino ai 400 ppm calcolati per il gennaio 2014. Come vedremo però il contributo umano non é quello che si pensa, e il grosso di questo aumento di CO2 é dovuto ad altri fattori.

Questa, a grandi linee, é la descrizione del fenomeno in se.

Adesso invece parliamo più in profondità del componente al quale viene imputato il maggior ruolo nell' effetto serra e nel riscaldamento globale di cui tanto si parla, la CO2, in modo da avere una minima base per affrontare meglio i discorsi delle prossime pagine.

Cenni sulla CO2

Si tratta di un gas acido inodore e incolore, a molecola piana lineare e non direttamente tossico per l' uomo. Il corpo umano contiene e genera buone concentrazioni di CO2, un corpo a riposo produce circa 300 litri di CO2 al giorno, sotto intenso sforzo ne produce oltre 1000. Con questi numeri, la quantità di CO2 prodotta globalmente dalla respirazione umana in un anno (considerando corpo a riposo) é per lo meno:

1,98kg/m3 (densità CO2) * 0,3 m3 (quantità emessa a riposo da un corpo umano) * 6800000000 (popolazione mondiale) * 365 (giorni in un anno) / 1000 (conversione da kg a Ton) = 1.474.308.000 tonnellate.

Per avere un parametro di confronto, si consideri che (fonte wikipedia, dati 2010) l' emissione totale mondiale di CO2 in atmosfera é quantificata in 31.350.455.000 tonnellate. Cioè la popolazione umana mondiale, soltanto respirando, produce CO2 pari a circa il 4.7% di tutta la CO2 emessa in atmosfera.

Cosa possiamo dire sugli effetti sul corpo della CO2 e sulla sua tossicità? Il sangue umano é ricco di CO2, ma questo gas diventa nocivo quando viene respirato in grandi concentrazioni poichè diluisce l' ossigeno e causa asfissia. Nonostante ciò l' organismo umano é capace di resistere e di gestire la CO2 fino a concentrazioni di media entità, essendo il contenuto medio di CO2 in una normale giornata lavorativa ad ufficio chiuso compreso tra le 850 e le 1300 ppm. La concentrazione stimata al gennaio 2014 di CO2 in atmosfera é di circa 400ppm.

La CO2 é un gas più pesante dell' aria, che tende a stratificarsi ad altezze relativamente ridotte che aumentano solo in presenza di calore; ciò fa sì che le emissioni di CO2 abbiano la loro maggiore concentrazione in prossimità del suolo. Questo é il motivo per cui le zone maggiormente ricche in CO2 sono le aree urbane trafficate, le prossimità di emissioni da circuiti di riscaldamento, e le prime centinaia di metri (di diametro) dai comignoli e vent di combustioni (industriali e non). La CO2 si disperde facilmente e agisce in fretta con il contenuto di umidità dell' aria precipitando come sale completo o monoacido di acido carbonico (H2CO3) dando luogo nel secondo caso a fenomeni di effervescenza.

La CO2 presente in atmosfera agisce sulla quantità di calore presente in duplice maniera. Colpita da protoni nella radiazione infrarossa, la molecola assorbe energia e inizia a vibrare. Successivamente per tornare allo stato iniziale essa rilascia parte dell' energia in surplus sempre sotto forma di radiazione infrarossa e smette di vibrare. L immagine qui sotto illustra abbastanza bene ciò che avviene:

Ma quanta influenza ha sul clima questo fenomeno? La CO2 é responsabile assieme agli altri gas serra della stabilità (in termini relativi) del nostro clima dal punto di vista delle temperature, nel senso che il complesso equilibrio dei tanti fattori coinvolti nella nostra atmosfera si basa anche sulla quantità di CO2 presente in essa. Se non ci fosse la CO2 in atmosfera, secondo molti scienziati, la temperatura del nostropianeta sarebbe mediamente 30°C più bassa.

La misura dell' influenza di un fattore (ad esempio appunto l' aumento della CO2 nell'atmosfera) nell' alterazione del bilancio tra energia entrante e energia uscente nel sistema terra-atmosfera viene chiamato Forcing Radiativo ed é misurato in W/m2. Questa misura segue un andamento logaritmico, e di conseguenza ha i massimi aumenti a più basse concentrazioni.

Il forcing radiativo della CO2 é riportato nell' immagine qui sotto, con 3 valori di riferimento.

La scienza non ha ancora pienamente compreso i meccanismi di forcing e il loro peso nell' equilibrio generale, esiste infatti un grafico prodotto dai sostenitori della teoria del GWA che mostra alcuni dei fattori presi in considerazioni con delle stime sul loro forcing radiativo in relazione al livello di conoscenza attuale che si ha di loro. Lo riportiamo qui sotto per completezza e per mostrare quanto ancora ci sia da imparare sul tema.

(*) In questo e negli altri documenti utilizziamo il paragone della serra per poterci calare nel discorso del global warming in quanto finora é comunemente ritenuto che l' effetto serra del pianeta sia paragonabile a ciò che davvero avviene in una serra. Come detto questa é una IPOTESI formulata da Bell e ritenuta generalmente valida ma NON si tratta di una NOZIONE COMPROVATA e dimostrata. Anzi, ultimamente alcuni studi hanno perfino messo in dubbio che i fenomeni che si manifestano nel nostro pianeta siano paragonabili con successo a quanto avviene in una serra. Si veda su questo argomento la sezione n° 06 sulla documentazione.