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In Figura1.9 `e mostrato lo spettro solare al di sopra dell’atmosfera, a livello del suolo e lo spettro di corpo nero a 6000 K.

Figura 1.9: Spettro solare osservato a livello del mare e in assenza di assorbimento atmosferico; `e riportato anche lo spettro di corpo nero a 6000 K [28].

La temperatura superficiale del Sole `e 5778 K [76], per cui nella figura viene mostrata lo spettro di corpo nero a 6000 K `e simile allo spettro osservato in assenza di assorbimento atmosferico.

Per l’analisi della Figura1.9occorre richiamare la definizione di una grandezza fisica molto usata in astrofisica: si definisce albedo il rapporto tra la radiazione riflessa e la ra- diazione incidente [181], per la Terra `e pari a 0.306 [73].

La differenza tra gli spettri solari della Figura1.9 `e dovuta in parte all’albedo terrestre e in parte all’assorbimento di alcune lunghezze d’onda (principalmente nell’ultravioletto e nell’infrarosso) ad opera dell’atmosfera.

A causa di questi due fenomeni al suolo arriva circa il 69% della radiazione solare inci- dente, principalmente nel visibile e nelle onde radio (Figura1.10).

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Figura 1.10: La linea indica la quota massima (o la frazione di atmosfera massima) per poter osservare la lunghezza d’onda alla quale si riferisce [161].

In Figura1.10viene mostrato l’andamento dell’assorbimento atmosferico della radia- zione in funzione della quota.

L’assorbimento della radiazione solare riscalda la superficie terrestre. Ogni corpo emette radiazione elettromagnetica con un andamento che si pu`o approssimare con la legge di corpo nero di Planck:

R(λ) = 2πc

2h

λ5(ekλThc −1)

dove l’irradianza (densit`a di corrente termica trasmessa per irraggiamento) viene

spressione su tutte le lunghezze d’onda, si ottiene la legge di Stephan-Boltzman:

I = σ · T4

dove σ `e la costante di Stephan-Boltzmann.

La Terra emette quindi nell’infrarosso (per il calcolo dettagliato si veda il paragrafo 1.7). Dalla Figura1.9 si pu`o notare come la maggior parte delle frequenze nella banda dell’infrarosso sia assorbita dall’atmosfera. Questo assorbimento porta ad un aumento di temperatura dell’atmosfera, che quindi emetter`a radiazione elettromagnetica. Mentre la Terra emette in un’unica direzione (ovviamente non verso il suo interno, quindi solo verso l’esterno, verso l’atmosfera), l’atmosfera emette sia verso la Terra che verso l’e- sterno. La radiazione emessa dall’atmosfera si somma a quella proveniente dal Sole nel riscaldamento della Terra, per cui quest’ultima si riscalda ancora, emette onde elettroma- gnetiche a lunghezza d’onda pi`u corte ma sempre nell’infrarosso e cos`ı via. Quando la Terra e la sua atmosfera assorbono tanta energia quanta ne riemettono verso lo spazio, si ha una fase stazionaria tra i flussi di energia solare entrante e di energia terrestre uscente. La temperatura media globale terrestre `e circa 15oC [46], [5] (si confronti il calcolo nel paragrafo1.7). La temperatura media globale terrestre viene attualmente misurata usando un grande numero di stazioni meteorologiche e di satelliti, facendo la media pesata dei valori misurati.

L’assorbimento delle onde elettromagnetiche da parte dell’atmosfera dipende anche dalla concentrazione dei suoi componenti. I componenti che assorbono le onde elettro- magnetiche nell’infrarosso sono chiamati ‘gas serra’. I gas serra principali sono: il vapore acqueo, l’anidride carbonica, il metano, l’ozono, l’ossido d’azoto e i clorofluorocarburi [46]. I tempi di permanenza in atmosfera sono riportati in Tabella1.3. Come si pu`o vede- re, i tempi coprono un vasto intervallo: quelli del vapore acqueo e dell’anidride carbonica sono di una decina di giorni e di circa un secolo, rispettivamente [46]; per quanto riguarda

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gli altri gas serra si passa da qualche anno per l’ozono a circa 23000 anni per i perfluo- rocarburi (PFC) [15]. Le concentrazioni attuali dei gas serra sono inferiori di oltre due ordini di grandezza rispetto a quella dell’anidride carbonica (Tabella1.1). Abbiamo, infat- ti, una concentrazione di CO2 di circa 380 ppm (nel 2008, 400 ppm a marzo 2014), contro

qualche parte per milione o meno di metano, ozono, ossido d’azoto e clorofluorocarburi. L’effetto dei vari gas serra `e stimato usando il potenziale di riscaldamento (Global Warming Potential, GWP), cio`e il rapporto tra il riscaldamento globale causato in 100 anni della sostanza ed il riscaldamento causato da una uguale quantit`a di anidride carbonica. Il potenziale di riscaldamento globale `e riportato in Tabella1.3.

Gas serra τ (anni) GWP

CO2 50-200 1 H2O [15] 0.027 - O3 giorni-settimane - CH4 12 25 N2O 120 298 CFC da 45 a 1700 da 6130 a 14400 PFC da 800 a 3200 da 17700 a 22800

Tabella 1.3: Tempo di permanenza (τ ) e potenziale di riscaldamento globale (GWP) dei gas serra [189]

I potenziali di riscaldamento del vapore acqueo e dell’ozono non sono riportati perch´e questi gas serra hanno un tempo di permanenza in atmosfera molto breve. L’ozono `e comunque monitorato per gli effetti di assorbimento di radiazione utravioletta nella stratosfera e la sua tossicit`a.

Le emissioni dei clorofluorocarburi sono state gi`a regolamentate con il protocollo di Montreal nel 1987, per i loro effetti sull’ozono. Per cui la loro concentrazione in at- mosfera non dovrebbe aumentare e quindi non dovrebbero aggravare il riscaldamento globale.

Lo studio della concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera e della temperatu- ra media globale terrestre nel corso della storia, mostra come queste due grandezze siano correlate, anche se `e ancora oggetto di studio quale relazione li leghi.

La misure diretta della concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera `e inizia- ta nel 1958 all’osservatorio di Mauna Loa nelle Hawaii. La Figura 1.11 mostra i dati registrati fino a febbraio 2014.

Figura 1.11: Andamento della concentrazione di CO2misurata all’osservatorio di Mauna Loa [98]

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E evidente l’aumento della concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera dall’i- nizio delle misure. Le oscillazioni sono dovute al ciclo stagionale delle piante, dato che la maggior parte delle terre emerse si trova nell’emisfero boreale, durante il periodo estivo di

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quest’ultimo la concentrazione di anidride carbonica diminuisce a causa della fotosintesi delle piante. Questo andamento oscillatorio prende il nome di curva di Keeling [98].

Il valore della concentrazione attuale (aprile 2014) di anidride carbonica nell’atmo- sfera `e 400 ppm [52], [69] (a febbraio 2014 era 397 ppm [52], [69]): `e il valore pi`u alto nell’ultimo mezzo milione di anni [189].

Per ricavare la temperatura media globale del passato sono utilizzate delle misure in- dirette: lo studio di isotopi dell’ossigeno nelle carote di ghiaccio estratte in Antartide e in Groenlandia, l’analisi della composizione dei sedimenti nei fondali oceanici, lo studio dello spessore degli anelli negli alberi, la ricostruzione degli ecosistemi in base ai ritrova- menti di fossili animali e vegetali e lo studio delle indicazioni di alluvioni, di siccit`a, di coltivazioni negli archivi storici e nelle raffigurazioni artistiche [5].

La concentrazione di anidride carbonica viene ricavata da bolle d’aria intrappolate ne- gli strati di ghiaccio, mentre per la misura della temperatura si analizza la concentrazione degli isotopi dell’ossigeno.

La Figura1.12mostra i livelli di anidride carbonica ricavati usando il carotaggio del ghiaccio nel sito di Vostok (Antartide) e l’andamento della temperatura terrestre negli ultimi 400000 anni (l’anno 0 si riferisce al 2010) [113].

Figura 1.12: Andamento della concentrazione di anidride carbonica e della temperatura globale negli ultimi 400000 anni (l’anno 0 si riferisce al 2010) [113].

Gli andamenti di concentrazione di anidride carbonica e di temperatura sembrano essere correlati: una crescita dell’uno corrisponde ad una crescita nell’altro, lo stesso vale per la decrescita.

In una interpretazione alternativa l’andamento della temperatura `e stato collegato anche al periodico avvicinamento e allontanamento della Terra dal Sole o a variazioni dell’attivit`a solare [46], [189].