scambi di energia attraverso l`atmosfera

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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?
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2.
Quale frazione delle radiazioni solari raggiunge la superficie della Terra e quale frazione viene
assorbita?
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3.
Che cos’è l’albedo?
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4.
Grazie a quale meccanismo nella troposfera si produce l’effetto serra?
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5.
Quale vantaggio comporta l’effetto serra per l’ambiente?
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6.
Che cosa si intende per bilancio energetico della Terra?
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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]