L’articolo, comparso recentemente sul blog del dr. Roy Spencer, climatologo dell’Università dell Alabama, riporta una spiegazione particolarmente chiara dei basilari legami che esistono fra l’effetto serra e il tempo meteorologico. Ci è pertanto sembrato utile riportarne la traduzione in italiano, come contributo al dibattito sempre acceso sul problema dei cambiamenti climatici.
Il clima della Terra è profondamente condizionato da due processi in competizione fra loro: l’effetto serra, che agisce nel senso di riscaldare la bassa atmosfera e raffreddare l’alta atmosfera, e la convezione atmosferica (termiche, nuvole precipitazioni) che agisce esattamente in senso opposto, raffreddando la bassa atmosfera e riscaldando quella superiore. Per meglio comprendere perché accade ciò, é istruttivo chiedersi, tramite un esperimento mentale, che cosa succederebbe se non ci fosse l’effetto serra, od in altre parole, cosa succederebbe nell’atmosfera, se non ci fossero degli assorbitori di radiazione infrarossa quali il vapor acqueo e l’anidride carbonica. Mentre di solito si discute di effetto serra nel contesto del riscaldamento globale (cioè della teoria che sostiene che aumentando la concentrazione di anidride carbonica si provoca un aumento di temperatura nella bassa atmosfera) deve essere chiaro che l’effetto serra ha un più fondamentale ruolo, in quanto se non esistesse l’effetto serra, sulla Terra non ci sarebbe nessun tempo meteorologico.
La superficie della Terra viene riscaldata dal sole, e la superficie e l’atmosfera si raffreddano insieme, emettendo radiazione infrarossa verso lo spazio esterno. Proprio come una pentola sul fuoco smette di riscaldarsi quando la quantità di energia assorbita dal fuoco eguaglia quella dispersa verso l’ambiente circostante, una Terra inizialmente fredda smetterebbe di riscaldarsi quando il ritmo a cui l’energia solare viene assorbita eguagliasse il ritmo a cui l’intero sistema Terra-atmosfera perde energia verso lo spazio. Ora, immaginiamo una Terra ed una atmosfera estremamente fredde, e prive di vapor acqueo, anidride carbonica, metano ed ogni altro gas-serra, e priva anche di acqua superficiale in grado di evaporare e creare vapore atmosferico. Inoltre, immaginiamo che il sole inizi a riscaldare la superficie terrestre. Come la temperatura superficiale iniziasse a crescere, inizierebbe ad aumentare l’energia infrarossa che viene emessa verso lo spazio. Ma cosa accadrebbe, nello stesso tempo, all’atmosfera? L’aria fredda in contatto col terreno riscaldato comincerebbe anch’essa a riscaldarsi per conduzione. Delle correnti d’aria convettive trasporterebbero questo calore verso l’alto, riscaldando gradualmente l’atmosfera dal basso verso l’alto, e cosa molto importante questa “convezione secca” risulterebbe in un profilo verticale di temperatura in cui essa decadrebbe di 9,8°C per ogni chilometro di incremento dell’altitudine (valore deducibile con semplici calcoli termodinamici, ndt) E’ il cosiddetto gradiente adiabatico che si crea perché salendo la pressione diminuisce e l’aria si espande, ed al contempo tutta l’aria che affonda in risposta a questo sollevamento, si deve riscaldare per effetto della compressione.
Come risultato finale, la superficie e la bassa atmosfera si riscalderebbero finché l’energia infrarossa persa dalla superficie eguagliasse quella assorbita dal sole, e l’intero sistema si assesterebbe in un ciclo notte-giorno di riscaldamento della superficie (e convezione nei bassi strati atmosferici) durante il giorno, e di analogo raffreddamento durante la notte.
Nel nostro esperimento mentale, la temperatura media globale a cui ciò si verificherebbe dipenderebbe molto da quanto la superficie terrestre è riflettente per la radiazione solare, e potrebbe variare da circa -17,5 °C per una Terra parzialmente riflettente, a circa 7,5 °C per una Terra totalmente opaca.
In che modo ciò è diverso da quel che accade in realtà? Bene, si noti che ciò che abbiamo lasciato nel nostro esperimento mentale è un’atmosfera che viene riscaldata dal basso dalla superficie che assorbe la radiazione solare, ma essa non ha nessun modo di raffreddarsi, eccetto per un piccolo strato giusto a contatto col suolo, dove si può raffreddare per conduzione durante la notte.
Perché questa mancanza di un meccanismo di raffreddamento atmosferico è importante? Perché ora nel nostro esperimento abbiamo un’atmosfera nella quale gli strati superiori sono più freddi della superficie e della bassa atmosfera. E cosa succede se in un materiale c’è una differenza di temperatura? Il calore fluirebbe per conduzione, e riscalderebbe gradualmente l’alta atmosfera, in modo da ridurre tale differenza. Il processo sarebbe lento, perché la conduttività dell‘aria è piuttosto bassa, ma alla fine, l’intera atmosfera raggiungerebbe una temperatura uniforme, indipendente dall’altitudine. Solo la superficie ed un sottile strato d’aria a suo contatto seguirebbe un ciclo giorno-notte di riscaldamento e raffreddamento. Il resto dell’atmosfera sarebbe all’incirca alla stessa temperatura della temperatura media superficiale. E senza una diminuzione della temperatura con l’altitudine di almeno 10°C per chilometro, tutta la convezione atmosferica si fermerebbe. Dal momento che è proprio il rimescolamento convettivo dell’atmosfera a causare la maggior parte dei fenomeni che noi riconosciamo come tempo atmosferico, si fermerebbe anche la maggior parte dell’attività atmosferica terrestre. Il rimescolamento convettivo dell’atmosfera è quel che causa le nuvole e la pioggia. Ai tropici esso si manifesta in piccoli e violenti sistemi di tipo temporalesco. Alle latitudini più elevate, la convezione si manifesta in sistemi molto più grandi, ed in complessi nuvolosi e precipitazioni meno violente associate ad aree depressionarie. Se non ci fosse convezione ci sarebbero forse ancora dei flussi ventosi orizzontali associati al fatto che i poli sarebbero sempre più freddi dei tropici, ed anche al ciclo di riscaldamento giorno-notte che ogni giorno gira attorno alla Terra. Ma in sostanza quello che noi chiamiamo tempo meteorologico, non esisterebbe. La stessa cosa succederebbe anche se se ci fosse acqua superficiale e vapore atmosferico, ma se fossimo in qualche modo capaci di “inibire” l’effetto serra del vapore atmosferico. Alla fine, l’atmosfera diventerebbe “isoterma”, quindi con una temperatura circa uguale con l’altitudine.
Perché ciò accadrebbe? Gli assorbitori infrarossi, quali il vapor d’acqua e l’anidride carbonica forniscono all’atmosfera un meccanismo addizionale di riscaldamento. Ma un fatto altrettanto importante é quello che siccome gli assorbitori infrarossi sono anche degli emettitori infrarossi, la presenza dei gas serra permette alla stessa atmosfera, e non solo alla superficie terrestre, di raffreddarsi verso lo spazio esterno.
Se si impilano gli uni sugli altri tutti gli strati di gas serra dell’atmosfera, essi formano una specie di coperta radiativa, che scalda gli stati inferiori e raffredda quelli superiori. (Aggiungo per quelli fra i lettori che hanno sentito affermare che l’effetto serra è fisicamente impossibile, che e possibile leggere una ulteriore spiegazione di ciò in http://www.drroyspencer.com/2009/04/in-defense-of-the-greenhouse-effect/ . C’e una diffusa incomprensione del fatto che l’ intensità con la quale uno strato assorbe l’energia infrarossa debba eguagliare l’intensità con cui perde energia, ma questo in generale non è vero).
In assenza delle correnti d’aria convettive che trasportano il calore in eccesso dalla bassa, verso l’alta atmosfera, l’effetto serra in se stesso, renderebbe la superficie terrestre intollerabilmente calda, e l’alta atmosfera (circa alla quota a cui volano i jet di linea) molto più fredda di quanto non sia in realtà.
Dunque, è l’effetto serra che destabilizza in continuazione l’atmosfera, “cercando” di creare un profilo verticale di temperatura che l’atmosfera non può sostenere, che poi causa tutti i differenti tipi di tempo, quando l’atmosfera si rimescola convettivamente. Così, l’effetto serra è veramente necessario per spiegare perché esista un tempo atmosferico. E questo è anche ciò che rende l’acqua una sostanza così stupefacente. Quando evapora essa raffredda la superficie terrestre, e quando ricondensa per formare le precipitazioni riscalda l’alta atmosfera; riscalda la bassa atmosfera per mezzo dell’effetto serra, e raffredda l’alta atmosfera emettendo radiazione infrarossa verso lo spazio esterno (ancora in parte per effetto serra). Questi processi di riscaldamento e raffreddamento interagiscono continuamente, uno limitando l’effetto dell’altro.
Come Richard Lindzen accennava ancora in un articolo del 1990 (si veda in http://www-eaps.mit.edu/faculty/lindzen/cooglobwrm.pdf ), mentre tutti sembrano capire che l’effetto serra riscalda la superficie terrestre, pochi sono coscienti del fatto che i fenomeni atmosferici limitano grandemente tale riscaldamento. Ed una possibilità molto reale è che 1°C di riscaldamento diretto provocato dal raddoppio della CO2 entro la fine di questo secolo, venga mitigato dagli effetti di raffreddamento del tempo meteorologico ad un valore prossimo a 0,5°C. Questo è molto meno di quanto viene predetto dall’IPCC dell’ONU o dalla NASA di James Hansen, che ritengono che i cambiamenti del tempo amplificheranno, piuttosto che ridurre, tale riscaldamento.
Titolo originale “What If There Was No Greenhouse Effect” ,
traduzione a cura di Gianluca Lapini