Bilanci energetici planetari Understand article

Tradotto da Paolo Sudiro. Capire il sistema climatico terrestre può insegnarci quello di altri pianeti.

Il cambiamento climatico e i modelli climatici sono costantemente presenti nei media. Un modo di verificare la qualità delle nostre conoscenze del sistema climatico della Terra è vedere come possiamo applicare le nostre conoscenze ad altri pianeti con climi molto diversi. Film come The Martian descrivono altri pianeti nel nostro Sistema Solare come inospitali. Tuttavia, come sono veramente e come sono influenzati dalla composizione delle loro atmosfere?

sea ice
Il ghiaccio marino ha un ruolo essenziale per il nostro clima e la circolazione oceanica globale.
Immagine gentilmente concessa da ESA

Dal punto di vista di un individuo sulla sua superficie, l’aria, l’acqua e il ghiaccio terrestri possono apparire come entità indipendenti. Tuttavia, i differenti elementi del sistema climatico – atmosfera, criosfera, oceani e terre emerse  – non sono isolati; essi si scambiano enormi quantità di energia e si influenzano reciprocamentew1. Questo fragile equilibrio – il bilancio energetico della Terra – viene calcolato come la somma di tutta l’energia assorbita dal sistema climatico meno tutta l’energia emessa. Se tutti gli apporti e le emisisoni si bilanciano, la temperatura globale rimane costante, ma se qualcosa modifica l’equilibrio – come un aumento nella quantità di gas serra nell’atmosfera – allora la temperatura cambia (vedi Shallcross & Harrison, 2008).

L’energia della Terra

La radiazione elettromagnetica del Sole impiega otto minuti per raggiungere la Terra ed è la maggiore fonte di energia sul pianeta – come anche per tutti gli altri pianeti del Sistema Solare. Mentre seguiamo l’energia del Sole attraverso l’atmosfera terrestre, possiamo vedere come questa alimenta il sistema climatico terrestre, con i suoi complessi flussi di energia e cicli di retroazione. Questa informazione viene rappresentata su grafici noti come diagrammi di Trenberth (figure 1, 2 e 3 a pagina 14; Trenberth et al, 2009).

Mentre la radiazione solare attraversa l’atmosfera terrestre, gran parte della radiazione ultravioletta viene assorbita dall’ozono nella stratosfera, circa 10-15 km dalla superficie terrestre. Altra radiazione solare viene riflessa e diffusa dalle nubi e da piccole particelle nell’atmosfera (note come aerosol). Quando nell’atmosfera si accumulano delle polveri a causa di grandi eruzioni vulcaniche, altra radiazione solare viene diffusa lontano dalla superficie terrestre . Questo è avvenuto nel 1815 dopo l’eruzione del Monte Tambora nelle Indie Orientali Olandesi (ora note come Indonesia), provocando un inverno vulcanico e scarsità di cibo nell’emisfero settentrionale.

Una percentuale ancora maggiore di energia solare viene riflessa dalla superficie terrestre a causa dell’albedo, che viene calcolata come il rapporto tra la radiazione riflessa e quella incidente. Superfici di colore chiaro come il ghiaccio hanno un’albedo maggiore di quelle scure. Voi potete dimostrare come funziona l’albedo utilizzando due contenitori per gelato, dipingendo di nero l’interno di uno dei due, mettendo un termometro in entrambi e coprendoli con una pellicola di plastica trasparente. Lasciandoli al sole, o sotto una lampada, il contenitore scuro assorbirà più radiazione e si riscalderà, mentre quello bianco rifletterà la radiazione e resterà più freddo.

L’energia che raggiunge la superficie della Terra la riscalda e viene reirradiata (per una spiegazione della radiazione di corpo nero vedete Ribeiro, 2015). Un parte dell’energia torna all’atmosfera anche per conduzione e convezione, come pure per evaporazione e traspirazione dell’acqua – una parte di questa in seguito condensa nell’atmosfera per formare nubi di gocce e rilasciando calore latente quando cambia di stato.

I gas serra assorbono alcune delle lunghezze d’onda della radiazione infrarossa emessa dalla superficie dellaTerra. Una parte di questa viene quindi emessa verso l’alto e persa nello spazio, ma la gran parte viene ridiretta verso la superficie terrestre. Altre lunghezze d’onda della radiazione infrarossa in uscita non vengono assorbite da alcun gas atmosferico e sfuggono liberamente nello spazio.

Figura 1: Il bilancio energetico della Terra, mediato sulla superficie della Terra e sull’arco dell’anno. I flussi di radiazione solare sono indicate in blu e i flussi di infrarossi in rosa; i flussi convettivi sono indicate in arancione.
A: Radiazione solare entrante;
B: Diffusa da nubi e atmosfera;
C: Radiazione totale a bassa frequenza irradiata nello spazio;
D: Riflessa dalla superficie;
E: Radiazione ad alta frequenza che raggiunge la superficie;
F: Radiazione ad alta frequenza assorbita dalla superficie;
G: Radiazione ad alta frequenza assorbita dall’atmosfera;
H: Radiazione infrarossa (a bassa frequenza) totale in uscita;
I: Radiazione a bassa frequenza emessa dalla superficie;
J: Radiazione a bassa frequenza assorbita dalla superficie;
K: Radiazione a bassa frequenza emessa dall’atmosfera nello spazio;
L:  Radiazione a bassa frequenza emessa dall’atmosfera verso la superficie;
O: Termiche;
P: Evapotraspirazione;
Q: Flusso di radiazione a bassa frequenza dalla superficie allo spazio.

Immagine gentilmente concessa da Sylvia Knight

Il bilancio

Il bilancio energetico della Terra spiega come la temperatura globale può cambiare in una direzione o nell’altra. In particolare, la quantità totale di radiazione solare che raggiunge la Terra non è sempre la stessa a causa delle variazioni nell’attività del Sole (che segue dei cicli di circa 11 anni e può anche cambiare per lunghi periodi di tempo). Anche le variazioni nell’orbita della Terra attorno al Sole determinano quali parti della Terra ricevono più energia – con conseguenze sul clima globale.

Dopo avere bilanciato tutti questi fattori (mediando la radiazione in ingresso e in uscita su tutti i giorni dell’anno e sull’intero pianeta) otteniamo la quantità di energia che la Terra guadagna o perde nello spazio. Usando i diagrammi di Trenberth (figura 1), potete chiedere ai vostri studenti di aggiungere o sottrarre questi diversi valori. Le loro risposte dovrebbero mostrare che attualmente c’è un po’ più di energia in ingresso che in uscita (circa 0.6 Wm-2), cosicché il sistema climatico si sta riscaldandow2.

L’energia di Marte

Più lontano dal Sole c’è uno dei nostri più prossimi vicini nel Sistema Solare. Quattro minuti dopo avere raggiunto la Terra e 12 minuti dopo avere lasciato il Sole, l’energia solare raggiunge Marte. Il pianeta rosso ha la metà del diametro terrestre ma i due pianeti hanno una velocità di rotazione simile e assi inclinati, quindi hanno variazioni stagionali del clima e della circolazione atmosferica simili. Il clima di Marte è dominato da tempeste di sabbia, i cicli dell’acqua e del carbonio e da maree termiche prodotte dal movimento della radiazione solare.

Figura 2: Bilancio energetico di Marte in condizioni relativamente poco polverose. Quando non c’è una tempesta di polvere, l’atmosfera di Marte ha un modesto impatto sul flusso di energia in entrata e uscita dal pianeta.
A: Radiazione solare in arrivo;
B: Diffusa da nubi e atmosfera;
C: Radiazione totale ad alta frequenza emessa nello spazio;
D: Riflessa dalla superficie;
E: Radiazione ad alta frequenza che raggiunge la superficie;
F: Radiazione ad alta frequenza assorbita dalla superficie;
G: Radiazione ad alta frequenza assorbita dall’atmosfera;
H: Radiazione infrarossa (a bassa frequenza) totale in uscita;
I: Radiazione a bassa frequenza emessa dalla superficie;
J: Radiazione a bassa frequenza assorbita dalla superficie;
K: Radiazione a bassa frequenza emessa dall’atmosfera nello spazio;
L:  Radiazione a bassa frequenza emessa dall’atmosfera verso la superficie;
M: Radiazione a bassa frequenza emessa dalla superficie;
N: Radiazione a bassa frequenza riflessa dalla superficie.

Immagine gentilmente concessa da Sylvia Knight

Comunque la sottile atmosfera marziana ha poco effetto sulla radiazione che la attraversa. Ciò significa che quasi tutta la radiazione in entrata raggiunge la superficie del pianeta, ma che quasi tutta la radiazione emessa sfugge nello spazio. Questo è dovuto al fatto che l’atmosfera di Marte contiene molta più anidride carbonica rispetto alla Terra e quasi nessun altro gas serra. Mentre la banda relativamente stretta della radiazione emessa ad una lunghezza d’onda di 15 μm viene quasi tutta assorbita dall’anidride carbonica dell’atmosfera, il resto della radiazione di corpo nero di Marte sfugge e l’effetto serra di Marte riscalda la superficie del pianeta di solo 5 K l’anno.

Nel tipico inverno marziano, le temperature sono basse abbastanza (140 K) per far condensare l’anidride carbonica, formando neve attorno ai poli e aumentando ulteriormente l’albedo del pianeta.

Le cose cambiano drasticamente nell’atmosfera marziana ogni 3-5 anni quando un’imponente tempesta di sabbia colora il cielo di rosso-marrone e nubi di polvere riflettono o assorbono il 78% della radiazione solare. La radiazione solare assorbita viene emessa come calore nell’atmosfera, producendo un effetto serra inverso poiché viene perduta più radiazione infrarossa dalla sommità dell’atmosfera di quanta ne viene emessa come calore alla superficie. L’atmosfera si riscalda mentre la superficie si raffredda; mentre la superficie si raffredda i venti di superficie rallentano e la circolazione a bassa quota si ferma, eliminando la fonte della polvere e provocando l’esaurimento della tempesta.

Figura 3: Il bilancio energetico di Marte durante le grandi tempeste di polvere. La polvere assorbe gran parte della luce incidente e crea un effetto serra inverso, con più calore che sfugge nello spazio dalla sommità dell’atmosfera di quanto lasci la superficie. A: Radiazione solare incidente
B: Diffusa da nubi e atmosfera;
C: Radiazione ad alta frequenza totale riflessa nello spazio;
D: Riflessa dalla superficie;
E: Radiazione ad alta frequenza che raggiunge la superficie;
F: Radiazione ad alta frequenza assorbita dalla superficie;
G: Radiazione ad alta frequenza assorbita dall’atmosfera;
H: Radiazione infrarossa (a bassa frequenza) emessa totale ;
I: Radiazione a bassa frequenza emessa dalla superficie;
J: Radiazione a bassa frequenza assorbita dalla superficie;
K: Radiazione a bassa frequenza emessa dall’atmosfera verso lo spazio;
L:  Radiazione a bassa frequenza emessa dall’atmosfera verso la superficie;
M: Radiazione a bassa frequenza emessa dalla superficie;
N: Radiazione a bassa frequenza riflessa dalla superficie;

Immagine gentilmente concessa da Sylvia Knight

L’importanza della nostra atmosfera

I flussi di energia attraverso le atmosfere planetarie nel nostro Sistema Solare sono diversi quanto i pianeti stessi (una descrizione dei climi di Venere, Titano e Giove può essere scaricata dal collegamento al materiale aggiuntivo). Pianeti come la Terra e Venere possiedono gas che provocano un effetto serra, mentre Marte (quando è polveroso) e Giove hanno un effetto serra inverso. Insieme all’acqua liquida e ad un ecosistema vivente, noi umani complichiamo ulteriormente il sistema climatico della Terra. Comunque, sebbene stiamo lentamente alterando il bilancio energetico sulla Terra, noi non saremmo in grado di sopravvivere senza la nostra atmosfera che cattura l’energia solare e riscalda il nostro piccolo pianeta azzurro. Quanto meglio capiamo come questi sistemi complessi funzionano, meglio possiamo capire il nostro impatto sulla Terra.

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References

Web References

Resources

  • Il sito web MetLink è ricco di materiali e attività didattiche per gli insegnanti. Le attività ‘Why is the sky blue’, ‘Scatter UV light’ e ‘Reflective surfaces’ sono tutte di supporto a questo articolo e possono essere trovate su http://www.metlink.org/experimentsdemonstrations

Author(s)

La Dr.ssa Sylvia Knight è una meteorologa con un interesse particolare per i modelli climatici. È la responsabile dei servizi educativi della Royal Meteorological Society in Gran Bretagna.


Review

‘Riscaldamento globale’, ‘riduzione dello strato di ozono’, ‘cambiamento climatico’ – siamo constantemente bombardati da queste frasi da internet, programmi televisivi, ambientalisti e scienziati. Tuttavia, le ragioni scientifiche per cui il nostro pianeta non bilancia bene l’energia assorbita ed emessa talvolta non vengono spiegate. Questo articolo è un’eccellente fonte per capire i motivi dietro il fatto che il nostro pianeta sta trattenendo più energia di quella che irradia – e quindi le temperature aumentano. Fornisce inoltre delle spiegazioni sul perché la stessa cosa può non verificarsi sui pianeti vicini.

Oltre a servire come esercizio di comprensione per gli studenti, questo articolo può aiutare ad accrescere la consapevolezza sul nostro ruolo in tutto questo. Possibili argomenti di discussione comprendono:

  • In che modo gli strati dell’atmosfera terrestre influenzano la luce che arriva dal Sole?
  • Che cosa influenza il bilancio tra energia in entrata e in uscita sulla Terra?
  • Come differiscono dal nostro i climi dei pianeti vicini?
  • Il clima di questi pianeti potrebbe venire adattato per la sopravvivenza umana?
  • Quanto è importante l’impatto dell’uomo sul nostro clima?
  • Come è cambiato questo impatto nel corso degli anni?
  • Qual’è la nostra responsabilità nei confronti delle generazioni attuali e future? 
  • Cosa possiamo fare per lasciare un pianeta migliore di quello che abbiamo ereditato?

Catherine Cutajar, St Martin’s College Sixth Form, Malta




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