scambi di energia attraverso l`atmosfera
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scambi di energia attraverso l`atmosfera
Cognome .................................................................... Nome .......................................................................... SCAMBI DI ENERGIA ATTRAVERSO L’ATMOSFERA L’atmosfera è attraversata in permanenza da due flussi di energia: quello in entrata dell’energia solare che giunge sulla Terra e quello in uscita dell’energia che la Terra emette nello spazio. La quantità di energia irraggiata dal Sole è enorme: per averne un’idea si può considerare che l’energia che il Sole libera intorno a sé ogni secondo è maggiore dell’energia consumata dall’umanità nel corso della sua storia. Le onde elettromagnetiche si distinguono per le differenti lunghezze d’onda che le caratterizzano: l’insieme delle onde elettromagnetiche disposte in funzione della lunghezza d’onda crescente costituisce lo spettro elettromagnetico. La quantità di energia trasportata da un’onda elettromagnetica è tanto maggiore quanto minore è la lunghezza d’onda: i raggi gamma, che hanno le più piccole lunghezze d’onda, sono i più energetici, seguiti dai raggi X e dai raggi ultravioletti, che precedono la porzione dello spettro relativa alle radiazioni luminose. Il Sole emette energia sotto forma di radiazioni luminose e di altro tipo, che si propagano nello spazio come onde elettromagnetiche; la quasi totalità della radiazione solare ha lunghezza d’onda compresa tra 0,15 micron e 4 micron (1 micron = 10-6 m, cioè un milionesimo di metro): queste, che vengono chiamate “onde corte”, sono costituite per quasi il 10% da raggi ultravioletti e per il resto da luce visibile e raggi infrarossi in proporzioni circa uguali. È stato calcolato che, di tutta l’energia irraggiata dal Sole, la Terra ne intercetta nell’alta atmosfera solo una piccolissima frazione (circa mezzo miliardesimo); di questa, solo una parte raggiunge il suolo: le radiazioni solari incidenti, cioè in arrivo sulla Terra, nell’attraversare l’involucro atmosferico, hanno una buona probabilità di urtare contro molecole di gas, polveri o goccioline d’acqua e cristalli di ghiaccio delle nubi; in seguito agli urti possono subire fenomeni di: diffusione, cioè venire deviate in tutte le direzioni (in parte verso lo spazio, in parte verso la superficie); riflessione, cioè venire deviate direttamente verso lo spazio; assorbimento, cioè interagire con le molecole dei gas e dei componenti delle nubi e venire riemesse come raggi infrarossi con lunghezza maggiore di 0,8 micron, chiamate “onde lunghe”. A. Cesana Focus QUANTA EN ERGIA RI CEV IAMO DAL SOLE Quando il Sole è allo zenit, ogni metro quadrato di superficie terrestre riceve ogni secondo una quantità di energia solare corrispondente alla potenza di circa 1 chilowatt (kw), pari a quella richiesta per il funzionamento di un ferro da stiro o di uno scaldabagno elettrico. In un anno l’energia solare complessiva ricevuta dalla superficie terrestre ammonta a quella che si potrebbe ricavare dalla combustione di circa 70.000 miliardi di tonnellate di combustibili fossili, sufficiente per alimentare per circa 8.000 anni gli attuali consumi energetici mondiali soddisfatti dalle fonti fossili (carbone, petrolio e gas naturale). A causa di questi fenomeni, solo all’incirca la metà delle radiazioni incidenti (51%) riesce a raggiungere la superficie del nostro pianeta: dato che il 4% viene riflesso immediatamente dal suolo e dalle acque verso lo spazio, solo il 47% delle radiazioni in arrivo viene alla fine assorbito dalla superficie terrestre; del restante 49%, il 18% viene assorbito dal vapore acqueo, dalle nubi, dall’ossigeno e dall’ozono della stratosfera e il 31% viene riflesso immediatamente nello spazio dalle nubi e dalle polveri. La percentuale di radiazioni immediatamente riflesse (dal suolo e dall’atmosfera) rispetto a quelle incidenti rappresenta il potere riflettente medio o albedo della Terra ed è pari al 35%. Le radiazioni solari assorbite dalla superficie terrestre sono quasi del tutto convertite in calore (a parte una piccola frazione dell’1% circa, utilizzata dalle piante nella fotosintesi) e quindi riemesse nell’atmosfera come raggi infrarossi a onda lunga, mantenendo in pareggio il bilancio tra calore acquisito e calore disperso. L’atmosfera viene così riscaldata dal basso, dalla superficie terrestre, che agisce come una sorta di “piastra riscaldante”; la Terra trasferisce calore all’atmosfera in tre modi: per circa il 75% per irraggiamento termico, per circa il 10% per conduzione e convezione (l’aria riscaldata per contatto diretto si espande, sale e richiama aria fredda alla base) e per circa il 15% per evaporazione e condensazione (l’acqua per evaporare dagli oceani assorbe dall’ambiente calore, che poi viene restituito dal vapore quando condensa allo stato liquido o solido nelle parti superiori dell’atmosfera). L’EFFETTO SERRA L’energia emessa come calore dalla superficie terrestre non si disperde tutta istantaneamente nello spazio, perché il suo flusso di ritorno viene rallentato dall’atmosfera: questa è una fortuna per noi, perché nelle ore notturne l’aria conserva ancora un sensibile tepore. La maggior parte del calore viene infatti intercettata e rinviata alla superficie da alcuni gas atmosferici, come il diossido di carbonio, il vapore acqueo e altri, che hanno la caratteristica di assorbire e riflettere indietro le radiazioni infrarosse a onde lunghe. In questo modo la superficie terrestre recupera buona parte del calore destinato a essere smaltito. L’atmosfera, in altre parole, intrappola temporaneamente calore, agendo come le pareti di vetro di una serra, che si lasciano attraversare dalla radiazione solare, mentre ostacolano la dispersione del calore emesso dagli oggetti contenuti al loro interno: per questo motivo il fenomeno è chiamato effetto serra. Grazie a questa capacità dell’atmosfera di trattenere più a lungo il calore emesso dalla superficie, la temperatura media annua dell’aria in prossimità del suolo, riferita all’intero pianeta, si mantiene a un valore medio di circa 15 °C; in assenza dell’effetto serra, la dispersione di calore nelle zone non illuminate dal Sole sarebbe molto veloce e la temperatura media si abbasserebbe a valori di circa -20 °C, proibitivi per la vita. L’attività umana, in seguito all’emissione di diossido di carbonio, prodotto nei processi di combustione, e di altri gas ha causato un aumento della loro concentrazione atmosferica e ciò sta determinando un rafforzamento dell’effetto serra, con conseguente rischio di innalzamento della temperatura media della Terra, che potrebbe determinare allarmanti alterazioni climatiche globali. IL BILANCIO ENERGETICO Se si effettua il bilancio energetico globale della Terra, dato dalla differenza tra l’energia solare assorbita e l’energia emessa come calore dalla superficie, esso è nel complesso in pareggio; tuttavia sussistono differenze tra regioni situate a latitudini diverse. Le zone intertropicali presentano un bilancio energetico positivo, perché ricevono più energia di quanta ne riemettono, al contrario delle zone circumpolari, che hanno un bilancio energetico negativo, in quanto l’energia ricevuta è inferiore a quella riemessa; ci si potrebbe attendere quindi un progressivo riscaldamento delle zone intertropicali e un progressivo raffreddamento delle zone circumpolari: di fatto, il divario termico tra le due zone si mantiene stabile nel tempo, grazie a un meccanismo di compensazione dovuto alla circolazione dei venti e delle correnti oceaniche che trasferisce calore dalle regioni con “surplus” a quelle con “deficit” di energia; perciò il bilancio energetico chiude in pareggio. GUIDA ALLO STUDIO 1. Perché solo una parte della radiazione solare diretta verso la Terra ne raggiunge effettivamente la superficie? ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. 2. Quale frazione delle radiazioni solari raggiunge la superficie della Terra e quale frazione viene assorbita? ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. 3. Che cos’è l’albedo? ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. 4. Grazie a quale meccanismo nella troposfera si produce l’effetto serra? ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. 5. Quale vantaggio comporta l’effetto serra per l’ambiente? ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. 6. Che cosa si intende per bilancio energetico della Terra? ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. COMPLETA LA SINTESI CON I TERMINI MANCANTI Attraverso _______________ avvengono scambi di _______________, costituiti dal flusso in _______________ di radiazione solare a onde corte, di cui una parte (47%) è assorbito dalla _______________ e dal flusso in _______________ di calore (radiazioni infrarosse a onde lunghe) emesso dalla superficie verso lo_______________. Una elevata frazione del calore liberato dalla superficie terrestre viene intrappolato da alcuni _______________ atmosferici e questo fenomeno, detto_______________, mantiene la temperatura _______________ della Terra intono a valori _______________alla vita. [superficie terrestre | uscita | effetto serra |spazio esterno | favorevoli | energia |l’atmosfera |entrata | gas | media]