Quattro chiacchiere su variazioni di temperatura della terra

Aumento della temperature media della Terra negli ultimi 100 anni: (0.740 ±0.18) ºC
L’andamento della temperatura media e’ riportato sotto.
Attenzione: la diminuzione di temperatura subito dopo la fine della seconda guerra
mondiale (1945) non e’ reale, non c’e stata nessuna importante eruzione vulcanica o
cosa simile che possa giustificarla. Si tratta di un errore di misura: prima del 1945 le
nazioni che raccoglievano questi dati, soprattutto sugli oceani, erano nazioni con mire
globali: Usa, Inghilterra, Giappone, Germania….. Nel 1945 e subito dopo solo gli
USA avevano ancora mezzi e uomini per continuare a raccogliere i dati. E proprio nel
1945 gli USA cambiarono il metodo di misurazione. I differenti errori sistematici dei
metodi usati prima e dopo il ‘45 dagli USA spiegano il salto, che non e’ reale. Poiche’
nessun altro raccoglieva dati, nessuno si accorse per sei decenni dall’errore.
Temperature medie negli ultimi 2000 anni. Il picco nel medio evo e’ probabilmente
dovuto a particolare tipo di circolazione oceanica nell’ Atlantico.
Temperature medie negli ultimi 12000 anni
Cause?
La potenza emessa dal sole varia: e’ variata del 10% dalla nascita del sole
(4.600.000.000 anni fa) ad oggi, ma questa variazione e’ stata lentissima e graduale.
Varia anche con periodo di 11 anni (ciclo delle macchie solari), ma solo del 1 per
mille, e la potenza raccolta dalla terra varia con un periodo di 24000 anni a causa del
moto di precessione
dell’asse polare
terrestre, ma solo del
5%. Queste variazioni
non possono spiegare
un’aumento di
temperatura di 0.7
gradi al secolo, che
richiederebbe
un’aumento della
potenza solare di circa
l’1 per mille al secolo.
Inoltre a causa della
precessione dell’asse
terreste la potenza
“solare” assorbita dalla
terra sta diminuendo, e
non aumentando.
Andamento della potenza assorbita dalla terra dal sole, della concentrazione di
C02, e delle temperature in Groenlandia e Antartide da 24.000 a 10.000 anni fa.
L’aumento dell’irradiazione solare nella figura e’ dovuto alla precessione dell’asse
polare terrestre. Il massimo si e’ avuto circa 10000 anni fa, ora stiamo riandando
verso il minimo.
Andamento della concentrazione di CO2 negli ultimi 600.000 anni
Aumento negli ultimi decenni della concentrazione di CO2 nell’atmosfera
La concentrazione attuale di CO2 nell’atmosfera e’ circa 390 parti per milione (ppm),
significativamente piu’ alta dei massimi registrati nei periodi interglaciali dell’ultimo
mezzo milione di anni. Si prevede che nel 2100 raggiungera’ tra valori tra 500 e 900
ppm.
Dalla fine del 1700 a oggi la CO2 e’ aumentata del 36% e il metano del 150%.
Una concentrazione cosi’ alta di CO2 probabilmente c’e’ stata 2 milioni di anni fa.
BILANCIO ENERGETICO DELLA TERRA
La superfice solare ha una temperatura di T= 5780 K, il raggio del sole e’ 1.39 109
km, applicando la legge che da la potenza W emessa per irraggiamento
W= σεAT4
con σ= 5.67 10-8 Wm-2K-4, e emissivita’ circa =1 per il sole, A superficie del sole, si
ha W= 3.8 1026 watt
la distanza media della Terra dal sole e’ 1.5 108 km, per sapere quanta potenza per
metro quadro arriva sulla terra devo dividere la potenza emessa dal sole per la
superficie di una sfera di diametro pari alla distanza Terra-sole (2.82 1023 m2), e
ottengo l’irradianza solare
irradianza solare = 1360 watt/m2
Questo e’ il flusso di energia dal sole per metro quadro al secondo col sole a picco e
fuori dell’atmosfera terreste. L’atmosfera terrestre assorbe o diffonde parte di questo
flusso, e sulla superficie terrestre attiva circa 1 kW per metro quadro quando il sole e’
allo zenit e il cielo terso. Se il sole non e’ a picco e ci sono anche nuvole il flusso e’
sensibilmente minore, a Trieste la media annua dell’irradianza solare e’ circa 350
watt/m2.
La Terra intercetta circa 1.7 1017 watt di potenza emessa dal sole (irradianza per area
della sezione massima della Terra). Di questa potenza circa l’un per mille, tramite la
fotosintesi, alimenta la vita sulla Terra, e una piccola parte alimenta la circolazione
degli oceani e dell’atmosfera. La potenza attualmente prodotta e utilizzata
dall’umanita’ e’ circa un decimillesimo di quella che arriva dal sole.
Se la temperatura della Terra e’ costante, TUTTA l’energia ricevuta dal sole dalla
superficie terrestre deve essere riemessa per irraggiamento verso lo spazio esterno. Il
flusso di energia dallo spazio esterno alla Terra e’ trascurabile perche’ la temperatura
media dell’ universo e’ 3 K.
Dei 1.7 1017 W che arrivano fuori dell’atmosfera una parte viene assorbita
dall’atmosfera, circa il 40% vengono riflessi nello spazio esterno da nubi, ghiaccio,
neve, oceani, foreste……, il rimanente ( poco meno di 1017w) viene assorbito dai mari
e dai continenti e poi riemesso per irraggiamento.
Calcoliamo la potenza emessa dalla Terra per irraggiamento, se la sua temperatura
media e’ 300 K. Usiamo di nuovo W= σεAT4 con A = superficie della Terra= 1.7
1014 m2
La potenza riemessa dalla terra a 300 K e’ approssimativamente 0.8 10 17 W.
Questa potenza viene emessa soprattutto nell’infrarosso lontano a circa 100 micron di
lunghezza d’onda.
Se la temperatura della terra e’ costante, la potenza solare assorbita e quella riemessa
per irraggiamento devono essere uguali. Se la terra si sta scaldando vuol dire che
riemette meno di quanto assorbe. Di quanto e’ sballato il bilancio energetico?
Consideriamo un aumento di 0.7 K al secolo. Consideriamo un metro quadro di Terra.
Sopra di esso ci sono 104 kg di aria (spiegazione: la pressione atmosferica e’ 105
Pa=105N/m2, 105 N e’ la forza peso di tutta l’aria sopra 1 m2, quindi la massa d’aria e’
circa 104 kg). 104 kg di aria corrispondono a 4 105 moli di aria. L’aria e’composta
prevalentemente da O2 e N2, molecole biatomiche, quindi il suo calore molare a
volume costante e’ 5/2R, cioe’ circa 20 J/K. Quindi tutta la colonna d’aria sopra 1 m2
ha una capacita’ termica di 8 106 J K-1.
Consideriamo 1 m2 di oceano, sotto di esso ci sono in media circa 2000 metri di
acqua, cioe’ circa 2 106 kg di acqua. La capacita’ termica di questa colonna d’ acqua
e’ 8 109 J K-1. Questa capacita’ termica e’ molto superiore a quella dell’aria e anche a
quella delle rocce, poiche’ queste hanno un calore specifico che e’ il 10%-20% di
quello dell’acqua e hanno una conducibilita’ termica molto bassa.
Che potenza serve a scaldare la colonna d’acqua descritta sopra di 0.7 gradi in 100
anni?
Basta fare 8 106 J K-1 per 0.7 K e dividere per 3 109, che e’ il numero di secondi in
100 anni. Si ottengono cosi’ poco piu’ di 1 W.
1 W per metro quadro di superficie della Terra e’ la differenza tra quanto la Terra
assorbe dal sole e quanto riemette nello spazio. E’ la potenza di una lampadina di
albero di natale. E’ meno dell’ 1 per mille di quanto arriva dal sole per metro quadro.
Il bilancio energetico della Terra e’ sbilanciato dell’ 1 per mille.
Cosa puo’ creare una riduzione dell’1 per mille del calore riemesso dalla terra per
irraggiamento? Basta immettere nell’atmosfera gas che cambino dell’ 1 per mille
l’emissivita’ della Terra, o modificare l’emissivita’ del suolo terreste, o degli oceani.
Se l’atmosfera terrestre contenesse solo ossigeno e azoto l’emissivita’ della Terra
sarebbe tale che basterebbe una temperatura di circa 30 K piu’ bassa dell’attuale per
essere in equilibrio. Ma l’atmosfera contiene anche vapor d’acqua, CO2, metano e
ozono. Questi gas abbassano sensibilmente l’emissivita’ per lunghezze d’onda intorno
a 100 micron (effetto serra) e quindi costringono la Terra ad aumentare la temperatura
per tornare all’equilibrio. L’effetto serra e’ dovuto per circa il 60% all’acqua, per
circa il 20% alla CO2, per il resto al metano e all’ozono.
Un’ aumento di circa il 25% della concentrazione di CO2 come si e’ avuta negli
ultimi 100 anni causa un’ aumento dell’effetto serra (cioe’ del contributo dei gas
”serra” all’emissivita’ della terra) di circa il 5%, quindi un aumento di temperatura di
circa 1 grado.
CALCOLO DELLE VARIAZIONI DELL’ IRRADIAZIONE SOLARE.
L’orbita della terra e’ ellittica, la distanza dal sole varia da 147 milioni di km a 152
milioni di chilometri, cioe’ circa del 3%. Il flusso di energia solare che arriva sulla
terra va col quadrato dell’inverso della distanza, quindi varia di circa il 6%. A gennaio
(quando siamo piu’ vicini al sole) e’ maggiore del flusso a giugno del 6%.
L’asse di rotazione terrestre e’ inclinato di 23 gradi rispetto alla normale al piano
dell’orbita. Attualmente e’ orientato in maniera tale che il polo nord e’ rivolto in
direzione contraria al sole a gennaio, quando l’irradianza solare e’ massima. La
maggior parte delle terre emerse e’ nell’emisfero settentrionale, quindi la maggior
parte delle terre emerse assorbe meno calore in media durante l’anno di quanto ne
assorbirebbero se l’asse di rotazione fosse rivolto dall’altra parte.
Ma l’asse di rotazione terrestre ruota nello spazio con un periodo di 24000 anni
(precessione). Questa rotazione e’ dovuta all’effetto dell’attrazione gravitazionale del
sole e della luna sul rigonfiamento equatoriale terrestre. Quindi 12000 anni fa o tra
12000 anni l’asse di rotazione sara’ rivolto in direzione tale che le terre dell’emisfero
settentrionale saranno esposte in maniera tale da avere la massima esposizione al sole
quando l’irradiazione solare e’ massima a gennaio (sara’ estate a gennaio).
Questo effetto di precessione dell’asse di rotazione terrestre causa una variazione del
flusso di energia raccolta dalla terra di circa il 5% su periodi di 12000 anni. L’ultimo
massimo c’e’ stato circa 10000 anni fa, ora stiamo andando verso il minimo.
Inoltre l’eccentricita’ dell’orbita della terra cambia con periodi di 95000, 110000 e
400000 anni, e l’inclinazione dell’asse di rotazione terrestre rispetto all’orbita con
periodi di 41000 anni (cicli di Milankovitch). Tutte queste variazioni fanno variare
periodicamente e apprezzabilmente l’irradianza solare media . Il periodo principale
risultante di circa 100000 anni corrisponde circa con il periodo dell’alternarsi delle
ultime glaciazioni.