Sole in scatola

Laboratorio “Il Sole: un tipo alternativo”
Scheda Esperienze
1. Sole in scatola
L'effetto serra: Fin dal 1824 Jean-Baptiste Fourier, fisico e matematico francese amico di
Napoleone, aveva intuito che ciò che accade con i vetri di una serra, fosse simile ad una proprietà
dell’atmosfera terrestre.
Infatti in una serra i raggi solari passano attraverso le vetrate e riscaldano il suolo all'interno. Il
calore, risalendo dal suolo, riscalda l'aria mentre i vetri impediscono all'aria di uscire.
Questo meccanismo permette alla serra di diventare un posto caldo dove le piante possono
crescere con facilità.
Parlando del clima, la radiazione proveniente dal Sole
sotto forma di onde elettromagnetiche viene in parte riflessa
(soprattutto la luce visibile) e in parte assorbita (soprattutto
gli IR) e re-irraggiato (sotto forma di IR meno energetici, cioè
a lunghezza d’onda maggiore) dalla superficie terrestre e dagli
oceani. La radiazione diretta verso lo spazio viene in parte
trattenuta dall'atmosfera (gli IR meno energetici),
contribuendo all’aumento della temperatura terrestre.
Radiazione solare
In particolare riescono a
superare l’atmosfera terrestre
una piccola parte di
ultravioletti, la luce visibile,
una piccola parte di infrarossi
ad alta energia e le onde radio
Chi permettere questa "intercettazione", sono una serie di gas contenuti dall'atmosfera:
• Gas serra: trasparenti nei confronti della luce solare e opachi ai raggi emessi dalla
Terra. A fare le veci del vetro di una serra, sono il vapore acqueo e alcuni gas come
anidride carbonica, metano, ozono, ecc.
• I principali componenti dell'atmosfera, invece, gas come azoto, ossigeno e argo,
non hanno nessuna capacità di trattenere il calore, in qunato trasparenti sia alla
radiazione solare luminosa che a quella non luminosa.
L'effetto serra è quindi un fenomeno naturale. Senza di esso la Terra sarebbe un posto molto
più freddo di quello attuale (circa –18°invece che circa 15° in media).
Ma da alcuni decenni gli effetti dell'azione dell'uomo hanno aumentato questo fenomeno
modificando gravemente la situazione climatica della terra.
La combustione di fonti energetiche fossili: il carbone, il petrolio ed il gas, determina infatti
l’emissione di grandi quantità di anidride carbonica che si trasferisce nell'atmosfera e avvolge la
terra, provocando così l'innalzamento della temperatura globale.
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Scopo dell’esperienza
1) Studio della differenza di comportamento tra radiazione infrarossa e radiazione luminosa
2) Studio del diverso comportamento della radiazione infrarossa rispetto a diverse superfici
3) Analisi dell’effetto serra
Cosa serve
• Lampada a infrarossi,
• Due scatole con coperchio di vetro in cui sono poste sul fondo due lastre metalliche: una
nera-assorbente e una a specchio-riflettente
• Due termometri a sonda
Breve descrizione dell’esperienza
La lampada scalda uniformerete le due scatole, la cui temperatura interna (con e senza coperchio
di vetro), viene registrata dai due termometri.
Radiazione infrarossa e radiazione luminosa (1)
La radiazione visibile si chiama così perché è quella che noi vediamo con gli occhi. La radiazione
infrarossa sta appena fuori dallo spettro visibile e viene percepita dal nostro corpo sotto forma di
calore (perché il corpo umano ha un picco di assorbimento termico nell’IR).
Mettendo il vetro tra i propri occhi e la lampada a infrarossi si nota come il vetro sia trasparente
alla radiazione visibile, ma opaco alla radiazione IR (infatti il caldo non ci raggiunge) (nota: il vetro
è praticamente trasparente agli IR di lunghezza d’onda inferiore a 2,5-3 µm (emessi da corpi molto
caldi, come il Sole), mentre è praticamente opaco agli IR di lunghezza d’onda superiore a 3 µm
(emessi da corpi freddi, come la lampada o il nostro corpo).
Radiazione luminosa e differenti superfici (2)
Normalmente, entrambi i termometri si riscaldano per contatto, convezione e irraggiamento.
Se si lavora senza coperchio la scatola col fondo riflettente risulterà più calda per via della
riflessione delle onde sul fondo che produce un doppio contatto della radiazione infrarossa con la
sonda.
Nel caso in cui si lavori invece col coperchio, la scatola col fondo assorbente sarà la più calda
poiché in questo caso il riscaldamento della sonda avviene prevalentemente per convezione a
causa dell’aria che, imprigionata nelle scatole dalla presenza del coperchio, si scalda maggiormente
in quella col fondo che ha assorbito più calore.
Effetto serra (3)
Possiamo simulare l’effetto serra supponendo che la lampada a infrarossi sia il nostro Sole (non è
del tutto corretto, perché in realtà tale lampada emette quasi esclusivamente IR e luce visibile
rossa), la scatola la Terra e il coperchio di vetro l’ atmosfera.
Il Sole invia i suoi raggi sulla Terra. L’atmosfera lascia passare solo alcune lunghezze d’onda, ma
essendo comunque queste onde elettromagnetiche dotate di energia, riscaldano la Terra (per
praticità, questo passaggio va fatto con le scatole senza coperchio, perché altrimenti il
riscaldamento è troppo lento).
Ins seguito, parte della radiazione viene riflessa dalla Terra e parte viene assorbita e ri-emessa
sotto forma di IR. Poiché l’atmosfera è opaca agli IR (a questo punto si mette il vetro sulla scatola,
perché anche lui è opaco agli IR)), la radiazione viene intrappolata dalla Terra, riscaldandola.
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