martedì, dicembre 30, 2008

L'effetto coperta (già effetto serra)


Venere: il miglior esempio che abbiamo dell'effetto riscaldante della CO2. Si può calcolare che, se non ci fosse CO2 nell'atmosfera e se l'albedo di Venere fosse lo stesso dell'attuale, la temperatura di Venere alla superficie sarebbe poco diversa da quella della Terra. Invece, con un'atmosfera quasi completamente formata da CO2, la temperatura media osservata è di circa 480 gradi centigradi.


Quando si va a parlare di riscaldamento globale e di effetto serra, è abbastanza facile fare errori clamorosi. C'è cascato anche Freeman Dyson, che è un fisico di quelli "doc," e sono innumerevoli le fesserie che si leggono continuamente sui giornali e su internet. Un errore classico è quello di non capire come funziona l'effetto riscaldante dei gas serra, e in particolare del biossido di carbonio (CO2). Più di una volta si è potuto leggere che non importa se aggiungiamo altro CO2 all'atmosfera, tanto questa è già "satura". Vi passo un esempio di questa confusione in un messaggio anonimo che è apparso di recente sulla lista "energyresources"


Il fisico svedese Anders Jonas Angstrom (1814-1874) trovò che c'era abbastanza biossido di carbonio nell'atmosfera per ottenere il massimo effetto serra e che aggiungere ulteriore biossido di carbonio sarebbe stato equivalente a rendere più spesso il vetro di una serra (le molecole del vetro nel vetro di una serra bloccano il passaggio di una parte della radiazione. Il vetro potrebbe essere sottile come una molecola di vetro e avere comunque lo stesso effetto)

L'autore di questo testo (molto lungo nell'orginale) racconta di aver cercato di farselo pubblicare e, non essendoci riuscito, si sia lamentato di essere vittima del solito complotto della cricca di scienziati che si sono messi daccordo per spaventare il mondo. Andrebbe però detto a questo signore che se ti capita che molte persone ti dicono che sei un imbecille, può anche darsi che sia un complotto contro di te, ma dovresti considerare anche la possibilità che tu sia VERAMENTE un imbecille.

Questo testo ve l'ho scelto come esempio per i suoi errori marchiani, come parlare di "molecole di vetro". Ma è rappresentativo di una lunga serie di ragionamenti di gente che non ha capito come funziona l'effetto serra. E non avendolo capito, non riescono a capire (o fanno finta di non capire) quale sia la relazione fra la concentrazione di CO2 e il riscaldamente globale. Fra gli ultimi che si sono lanciati in questa direzione, c'è Jeanne Nova che, di recente, ha pubblicato un "manuale dello scettico". Presentato in modo accattivante il pessimo manualetto della Nova è tutto basato sul concetto che "non c'è prova" che il CO2 abbia un effetto sulla temperatura terrestre.

Se si vuol combattere questa forma di scetticismo bisogna avere ben chiara la fisica del riscaldamento globale. Altrimenti, si rischia di trovarsi in difficoltà con gente che, aggressivamente, ti domanda "Dov'è la prova?" In effetti, se il riscaldamento globale è il risultato di qualcosa che funziona come il vetro di una serra, cambia poco se il vetro è più o meno spesso. E allora?

La cosa vi lascia perplessi? Fate un altro test su voi stessi: provate a spiegare quantitativamente perché in cima alle montagne fa più freddo che in pianura. Non è facile e non dite che è perché "la terra irradia dal basso"; non è questa la ragione. L'ho chiesto ai miei studenti di dottorato e nessuno di loro me lo ha saputo spiegare chiaramente. Io stesso ci ci ho dovuto ragionare sopra un po' prima di capirlo bene.

Allora, se non avete avuto problemi con questo piccolo test del freddo che fa in montagna, non avete problemi a demolire gli argomenti degli scettici. Se però la cosa vi fa qualche grattacapo, vi consiglio di continuare a leggere. Vi spiego una volta per tutte come funziona l' "effetto serra" e perché sarebbe meglio chiamarlo "effetto coperta".


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L'effetto coperta: perché i gas serra scaldano la terra
Di Ugo Bardi


Vi è mai capitato di dormire all'aperto, in campeggio al mare per esempio? Se vi siete addormentati senza coperte addosso in una notte serena di Agosto, vi sarete sicuramente svegliati semi-congelati verso le due o le tre di notte. A me è successo, e mi ricordo benissimo di essermi domandato come mai ero così infreddolito quando, mi sembrava, l'aria non era poi così gelida.

La spiegazione sta nel fatto che non è solo la temperatura dell'aria a far si che uno senta o no freddo. I corpi fisici si riscaldano o si raffreddano a seconda del bilancio di emissioni e ricezioni di radiazioni. Quando uno dorme all'aperto, si trova a scambiare radiazioni infrarosse con un corpo molto freddo: il cielo stellato. Come sapete, lo spazio si trova a una temperatura che si misura come meno di 3 gradi Kelvin, ovvero circa 270 gradi centigradi sotto lo zero. Questo è molto più freddo di quasi qualsiasi cosa che vi potrebbe capitare di trovare su questo pianeta. Allora, mentre uno dorme sotto le stelle, il proprio corpo cerca di mettersi in equilibrio con il cielo irradiando infrarossi in quella direzione. Quello che può succedere in una sera d'estate che la temperatura dell'atmosfera si abbassa, l'umidità si condensa e - a questo punto - si apre una "finestra" di trasmissione nell'infrarosso che prima era bloccata dal vapore acqueo. A questo punto, il corpo della persona addormentata ha maggiori poissibilità di cercare di mettersi in equilibrio con i 3 K dello spazio profondo. Non che ci arrivi, ovviamente, ma non c'è da stupirsi per la sensazione di freddo che si prova.

Così, svegliatosi infreddolito, il campeggiatore si affretterà a infilarsi nel sacco a pelo, sentendosi subito molto meglio. L'effetto del sacco a pelo è di intercettare le radiazioni infrarosse emesse dal corpo del campeggiatore. In parte, queste radiazioni saranno riemesse all'indietro verso il campeggiatore; in parte verso l'esterno. Il punto è che la coperta non sarà mai alla stessa gelida temperatura dello spazio siderale. Dal punto di vista del campeggiatore, è molto più confortevole cercare di equilibrarsi con la coperta che ha addosso che con lo spazio profondo. A questo punto, sarà la coperta a irradiare verso lo spazio esterno, ma il campeggiatore sta molto più al caldo.

Può darsi che una coperta sottile non sia sufficiente. Due coperte sottili, o una più spessa, avranno più effetto. Più coperte si impilano una sull'altra, maggiore e l'effetto. Notate che la persona sotto le coperte interagisce direttamente soltanto con la coperta più vicina, mentre è soltanto la coperta più esterna che irradia verso l'esterno. La coperta più vicina ha "saturato" l'assorbimento di radiazioni, ma questo non vuol dire che aggiungendo altre coperte un non stia più al caldo.

Allora, trasferiamo questo concetto all'atmosfera della terra. L'effetto di uno strato di gas serra è molto simile a quello di una coperta. Una differenza sta che i gas serra assorbono soltanto in una specifica "finestra" di radiazioni, ma entro quella finestra assorbono le radiazioni emesse dalla superficie terrestre e le riemette sia verso l'esterno come verso la superficie stessa. Notate che uno strato sufficientemente spesso di gas serra assorbe tutta la radiazione emessa dal suolo, esattamente come fa una coperta per il corpo del campeggiatore (sempre ricordandoci che questo avviene solo in certe lunghezze d'onda).

In particolare, dobbiamo considerare la CO2 che è il gas più importante nell'effetto di riscaldamento globale causato dall'attività umana. E' vero che la bassa atmosfera è "satura" di CO2 in termini di assorbimento ottico nella sua finestra. Quello che cambia è negli strati dell'alta atmosfera, la zona "non satura", dove la CO2 può irradiare verso lo spazio esterno. Aumentando la concentrazione di CO2, la zona non satura si sposta verso l'alto. Ovvero, aumentando la concentrazione della CO2 è come aggiungere delle coperte alla terra. E' sempre l'ultimo strato, come l'ultima coperta, che fa il possibile per equilibrarsi con la bassa temperatura dell'universo. Ma dal punto di vista della superficie terrestre, l'effetto è un maggior riscaldamento per via del maggior spessore di "coperte".

La relazione fra la concentrazione di CO2 e l'effetto riscaldante non è lineare, è logaritmica. Ma, sulla Terra, siamo ancora ben lontani dalla saturazione dell'effetto della CO2; ovvero una condizione in cui aggiungere altra CO2 non cambia le cose. Se ci fossimo arrivati, saremmo nella condizione di Venere, con qualche centinaio di gradi di temperatura alla superficie del pianeta.

Da notare che spesso si sente la critica che la concentrazione di acqua nell'atmosfera è molto più alta di quella della CO2 e che l'acqua è un gas serra anche quello: allora perché dare tanta importanza alla CO2? La ragione sta nei tempi di residenza. La CO2 che emettiamo oggi rimarrà nell'atmosfera per parecchie decine di anni come minimo, forse ci rimarrà per millenni o milioni di anni. L'acqua, invece, è in equilibrio quasi immediato - tempi dell'ordine di qualche giorno, con gli oceani. Potremmo decuplicare la concentrazione di H2O nell'atmosfera, e in qualche giorno ritornerebbe al valore normale. Per questo si dice che la CO2 è una "forzante" climatica, mentre l'acqua non lo è.

Arrivati a questo punto, potete capire molte cosette interessanti. Per esempio, perché in montagna fa più freddo che in pianura? Questa è una cosa che non si spiega se non avete capito bene come funziona l'effetto serra (o effetto coperta). Ma, se lo avete capito, vi rendete conto subito del fatto che le montagne hanno meno "coperte" addosso di quante ne abbia la pianura. Ovvero, vedono uno strato di CO2 (e altri gas serra) meno spesso.

Mi affretto a dire a questo punto che le cose sono più complicate di come le si possono descrivere con un modello semplice come questo. L'atmosfera terrestre non ha una densità costante, c'è l'effetto della separazione fra troposfera e stratosfera, i vari "feedback" con gli altri gas serra come il vapore acqueo, gli effetti della convezione, insomma tante cose che si possono descrivere soltanto con modelli abbastanza complessi. Ma, perlomeno, possiamo capire qual'è la fisica che sta alla base di quello che chiamiamo "effetto serra" è che forse sarebbe meglio chiamare "effetto coperta". Alla fine dei conti, è fondamentale renderci conto del perché continuare a immettere CO2 nell'atmosfera è estremamente pericoloso. L'ignoranza, si sa, uccide.

Ma state sicuri che comunque ci sarà sempre qualche scettico che - per ignoranza o per partito preso - continuerà a dire che non è vero niente.



Una spiegazione più dettagliata del meccanismo di riscaldamento dovuto alla CO2 si trova su "Real Climate" (in inglese). Ringrazio Antonio Zecca per la sua consulenza su questo articolo.


10 commenti:

Anonimo ha detto...

Ecco, almeno da questo punto di vista il picco petrolifero e quello del gas naturale sarebbero augurabili, quantomeno perchè "in teoria" dovrebbero diminuire drasticamente le emissioni di gas serra di origine antropica, salvo poi quelle di metano in seguito allo scongelamento del permafrost siberiano o di CO2 a causa della combustione di immani quantità di legna sul pianeta ad opera della gente infreddolita per mancanza di combustibili.
A parte questo, il post è apprezzabilissimo per quanto mi riguarda perchè ora mi è chiaro perfettamente il meccanismo dell'effetto serra/coperta.
Peccato che ci siano siti di meteorologia, come ad esempio www.strettoweb.it o http://meteolive.leonardo.it, tanto affidabili sulle previsioni del tempo, quanto apertamente negazionisti sull'effetto serra causato dall'uomo.
Ma il male peggiore è che se da un lato gli Stati, a parole, cercano di mettersi d'accordo per ridurre le emissioni tramite i vari protocolli internazionali, dall'altro molti di essi bruciano sempre più carbone.
Da profano in materia, la mia preoccupazione maggiore è che la Terra alla lunga(ma non molto) potrebbe diventare simile a Venere, ovvero, ad un certo punto potrebbe innescarsi un meccanismo tipo "effetto valanga" che porterebbe all'aumento esponenziale della temperatura media globale terrestre in un tempo relativamente breve fino ai valori venusiani, o comunque tali da estinguere la vita sul pianeta.
Ugo, tu che opinione hai in merito?

Paolo B.

P.S. Auguri di buon anno a tutti

Anonimo ha detto...

Personalmente, da profano, penso che quell'ipotesi sia remota poichè penso che la terra oltre un certo limite di CO2 reagisca in modo da dimuire la concentrazione di CO2, naturalmente a discapito di alcuni ecosistemi(es l'acidità dei mari). Però se noi continuamo ad emettere ingenti quantità di CO2 superiori a quanto la terra può assorbirne la tua teoria può avverarsi.
paolomot

Carlo Stagnaro ha detto...

Ugo - non mi pare che nessuno dica che la CO2 antropogenica (come se ci fosse una differenza con quella "naturale") non abbia alcun effetto riscaldante. Il problema è *quanto* riscalda, e se questo "extra riscaldamento" è *misurabile* e *distinguibile* da quello che si sarebbe verificato in assenza del genere umano (forse la terra, nelle condizioni attuali, si starebbe raffreddando, o forse starebbe oscillando attorno a un valor medio, o forse si starebbe riscaldando più lentamente, o forse si starebbe riscaldando più velocemente perché ci sono altri fattori che non conosciamo o non consideriamo). L'effetto riscaldante della CO2, poi, segue una regola logaritmica, cioè il "potere riscaldante" della molecola marginale è inferiore a quello della molecola media. Insomma, la tua spiegazione è corretta, ma l'aspetto, per così dire, politico dell'interpretazione scientifica che si dà dei fenomeni in atto sta un passo più in là. Ed è, in ogni caso, dal mio punto di vista relativamente meno rilevante, rispetto al fatto che il sistema climatico è talmente vasto e complesso che difficilmente esso può essere "controllato", quindi i costi sottesi a qualunque intervento sono quasi per definizione enormemente superiori ai benefici attesi.
Buon 2009 e speriamo che torni il global warming, che del freddo non ne posso più :-)

Patrick ha detto...

"Andrebbe però detto a questo signore che se ti capita che molte persone ti dicono che sei un imbecille, può anche darsi che sia un complotto contro di te, ma dovresti considerare anche la possibilità che tu sia VERAMENTE un imbecille."

Personalmente ritengo che questa frase sia una brillante formulazione alternativa del rasoio di Occam!

A parte gli scherzi, buon 2009 petrolifero a tutti!

Anonimo ha detto...

@ paolomot

Non credo alla Terra/Gaia come un organismo vivente in grado di autoregolarsi, almeno non con delle enormi interferenze "non naturali" quali quelle provocate dall'uomo.
Quella della autoregolazione climatica è la (non)teoria sulla quale si appoggia la maggior parte dei negazionisti.
L'unico fatto certo e dimostrato dalle osservazioni scientifiche è che il Sole stia attraversando un prolungato minimo di attività solare da diversi mesi e questo sembra sia correlato con un calo della temperatura media globale del pianeta.
Infatti l'inverno scorso è stato molto freddo sia nell'emisfero australe e in seguito in quello boreale(tranne il Mediterraneo che quest'anno però è molto più meteorologicamente dinamico rispetto agli ultimi due inverni). La PEG(piccola era glaciale) dei secoli XIII-XIX risulta concomitante(secondo recenti studi) a dei profondi minimi di attività solare(basso numero di macchie solari).
Di fatto sembra che il riscaldamento globale antropico sia in "pausa".
Quando l'attività solare ripartirà, il tanto agognato global warming da parte di Carlo Stagnaro riprenderà a farsi sentire.

@ Carlo Stagnaro

Il clima non è controllato dall'uomo, è solo perturbato dalle attività di quest'ultimo; stiamo solo interferendo incoscientemente nei suoi meccanismi intrinseci e puoi star certo che l'effetto finale sarà a sua volta incontrollabile da questo primate per niente sapiens.

Paolo B.

Paolo ha detto...

Quest'anno è stato il più fresco del decennio a causa de La Niña, ma risulta comunque il decimo più caldo dal 1880 (dati NOAA).

Non nutro grandi speranze per il futuro: dovremmo abbattere in pochi anni le emissioni almeno dell'80-90% per ottenere risultati apprezzabili; un traguardo decisamente utopistico.

Frank Galvagno ha detto...

Interessanti le osservazioni di Carlo Stagnaro.

Nelle mie ipotesi, posso anche immaginare (anzi, in realtà spero) che l'immissione di CO2 legata alla combustione dei fossili possa "rendere disponibile", dunque potenzialmente utilizzabile un reservoir di carbonio (la CO2) che potrebbe entrare nei cicli vegetali e marini ed essere re-impiegato via rinnovabile. Però la fotosintesi è inefficiente, come dice spesso Ugo, dunque la lentezza delle crescite legnose (& alghe) è incompatibile con la fame energetica, popolosità e tendance alla "crescita" del nostro tempo.

D'altro canto, l'effetto coperta potrebbe averci dato dei vantaggi invisibili. Se fa più caldo, si crea un feedback negativo che ci porta a bruciare meno per riscaldarci.
Tuttavia, l'osservazione ormai conclamata da IPCC e una comunità scientifica sempre più larga è che il fattore [CO2] antropico è dominante nel processo di global warming. CO2 è attiva nell'infrarosso, e le sue vibrazioni atomiche (come anche quelle di H2O, CH4 che partecipano al fenomeno in feedback positivo) nel sistema meccanico-statistico dell'atmosfera si traducono in
- rialzo delle temperature MEDIE mondiali e innalzamento della quota ghiacci perenni
- rischio di innalzamento del livello oceanico
- fenomeni di estremizzazione di eventi climatici (lunghi periodi siccitosi, piogge torrenziali, nevicate)

Ora, secondo me il fatto che un problema esista non dovrebbe indurci a pensare "va bè, è una cosa complessa, non possiamo controllarlo più di tanto, ergo non facciamo nulla".

E' il modello del fumatore, che percepisce il rischio (per esperienze di altri), ma continua a fumare, tanto una sigaretta in più non cambia la vita, e poi "potrebbe cadermi una tegola sulla testa che muoio lo stesso". [o arrivare un asteroide che cambia il clima].

Mio padre, a pensare così è morto per un male incurabile ai polmoni. Nonostante io cercassi di dissuaderlo dal fumo da quando avevo 10 anni.

11:44 AM

Ugo Bardi ha detto...

Eh, beh, Venere fa veramente paura se uno pensa che è quello il destino della Terra. Non c'è niente da fare: l'irradiazione solare aumenta gradualmente e la buona vecchia Gaia cerca di mantenere la temperatura costante riducendo la concentrazione atmosferica di CO2. Ma siamo al limite; ulteriori riduzioni renderebbero impossibile la fotosintesi. Per cui, si ritiene che la Terra farà la fine di Venere entro qualche centinaio di milioni di anni - non è detto però che non gli possiamo dare noi la spintina per farlo collassare ben prima. (pensierino allegro.....)

Anonimo ha detto...

....da un po' di anni osservo una temperatura più alta in zona collinare-montagna(sto a 600 metri) di notte. Scendendo in valle la mattina trovo più fresco in basso e mi ricordo il contrario in passato. Particolarmente evidente questo fenomeno in estate.
La cosa che a me non convince è la focalizzazione praticamente esclusiva sul CO 2 rispetto al Global Warming. Ci sono così TANTI FATTORI - il che non vuol' dire non ridurre le emissioni e mettere in discussione il paradigma del uso e consumo senza badare alle conseguenze.

Ultima notizia curiosa - creare grazie a nanotecnolgia carburante trasformando il CO2 - visto su una pagina scienze-news uno di questi giorni.

Maria

Bri ha detto...

Per Maria: inversione termica (Gradiente termodinamico dell'atmosfera in aumento o in s stabilità con l'aumentare della quota) oppure Subsidenza anticiclonica (stessa cosa su scala sinottica), per l'attestato di volo da diporto o sportivo ti fanno ore e ore di modulo di Herloffson e Stuwe ecc. ecc. per cui diventa quasi ovvio che sia più caldo in quota che no in pianura, soprattutto in inverno e in condizioni anticicloniche.
Salutonononi