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1.4. Il bilancio energetico della Terra
L’analisi della disponibilità di energia in natura deve partire dal ciclo energetico globale del sistema nel quale l’uomo si trova ad operare, il “sistema Terra”.
Le cifre ed i flussi di energia che compongono il bilancio energetico della Terra sono riportati nel diagramma di Sankey (Fig. 1.4), nel quale tali flussi sono rappresentati mediante bande la cui larghezza indica, in proporzione, il contributo totale portato da ogni singola voce.
Il bilancio energetico del nostro pianeta è basato, dunque, in modo preminente sul flusso di energia
proveniente dal Sole, che rappresenta il 99,98% del totale. Il flusso energetico medio proveniente dal Sole è
denominato costante solare e corrisponde al flusso di energia che passa attraverso una superficie di 1 m2,
disposta perpendicolarmente al flusso stesso, nell’intervallo di 1 secondo, al di fuori dell’atmosfera (in assenza, cioè, di fenomeni di assorbimento atmosferico) ed alla distanza media della Terra dal Sole. Le misure effettuate tramite i satelliti hanno fornito per la costante solare un valore di 1,35 kW/m2con una variabilità del
3% dovuta all’ellitticità dell’orbita terrestre. L’ammontare della potenza totale intercettata dalla Terra sulla sua 3% dovuta all’ellitticità dell’orbita terrestre. L’ammontare della potenza totale intercettata dalla Terra sulla sua sezione è stata calcolata pari a circa 173.000⋅1012W.
Si devono, inoltre, considerare l’energia proveniente dall’interazione gravitazionale (praticamente ridotta alla triade Terra, Sole e Luna) nonché l’energia termica dovuta al calore presente all’interno della Terra, convogliata in superficie per conduzione e convezione. Un ulteriore contributo proviene dai radioisotopi
naturali (elementi radioattivi), abbinati al fenomeno della geotermia, nel senso che, con il loro apporto
energetico, contribuiscono a mantenere praticamente costanti, ovvero perpetuare, le oscillazioni periodiche della distribuzione di temperatura nei diversi strati e sulla superficie del pianeta.
Fig. 1.4 - Bilancio energetico globale della Terra [1]
Nel diagramma di Sankey di Fig. 1.4 si vede come una frazione rilevante dell’energia solare incidente (52.000⋅1012W) viene immediatamente restituita allo spazio esterno, mentre la rimanente parte procede
I flussi di energia a cui si fa riferimento si intendono nell’unità di tempo, quindi si parlerà più esattamente di “potenze”. A questo proposito bisogna richiamare un aspetto critico della questione energetica: anche se, in termini istantanei, la potenza reperibile in natura è, come si vedrà meglio nel seguito, di vari ordini di grandezza superiore al fabbisogno dell’intera popolazione mondiale, è tecnicamente e/o economicamente impossibile soddisfare le richieste di energia, in ogni momento e per ogni utenza, con la sola potenza che, istante per istante, è resa direttamente disponibile in natura dal Sole o dalle altre fonti menzionate.
La copertura del fabbisogno delle diverse forme di energia è, dunque, problema non di quantità ma di disponibilità
nello spazio e nel tempo. La questione da risolvere è cioè quella di rendere disponibile, per ciascuna utenza, la
quantità adeguata di energia (e nella forma opportuna) istantaneamente necessaria all’utenza stessa.
Un’altra suggestiva rappresentazione reperibile in letteratura e sostanzialmente analoga alla precedente, è offerta dalla Fig. 1.5 nella quale i valori riportati sono pressoché gli stessi del diagramma precedente. Le uniche eccezioni si verificano per quanto riguarda la fotosintesi, stimata in 80⋅1012W invece di 40⋅1012 W, e per la presenza della fonte
idraulica, valutata in 10⋅1012W, precedentemente sintetizzata nella voce “accumulo nell’acqua e nel ghiaccio”.
idraulica, valutata in 10⋅1012W, precedentemente sintetizzata nella voce “accumulo nell’acqua e nel ghiaccio”.
In questa figura è inoltre opportunamente visualizzato il ciclo dell’acqua che è alla base della vita sul pianeta e che, anche dal punto di vista energetico, ha proporzioni notevoli. Circa il 23% (40.000⋅1012 W) dell’energia solare
incidente istantaneamente sulla Terra, infatti, è coinvolto in questo fenomeno, determinando l’evaporazione di una immensa quantità dell’acqua che ricopre il pianeta per circa i 3/4 della sua superficie. Il vapore acqueo formatosi, innalzandosi in virtù di gradienti termici e degli effetti di pressione, si raffredda oltre il punto di saturazione e condensa, poi, intorno a particelle di pulviscolo o a ioni, dando luogo alla formazione di nubi. Questi ammassi di minuscole goccioline di acqua e di cristalli di ghiaccio (del diametro variabile da 1 a 100 µm), in sospensione nell’aria, vengono trasportati dalle perturbazioni atmosferiche lontano dal luogo dove si sono formati. Quando le dimensioni delle goccioline raggiungono almeno 1 mm di diametro, in opportune condizioni di temperatura e di pressione, si ha la precipitazione atmosferica (pioggia, neve, grandine). Non tutta l’acqua ritorna sulla Terra alla stessa quota alla quale era evaporata, permettendo così l’accumulo in forma di energia potenziale meccanica, la cui potenza è stimata dell’ordine di 10⋅1012W.
Fig. 1.5 - Bilancio energetico globale della Terra [2]
Altro processo correlato con la radiazione solare è la fotosintesi clorofilliana. Questo processo fissa il carbonio nelle foglie ed accumula l’energia sotto forma di carboidrati; esso, inoltre, libera ossigeno e, attraverso i processi di decomposizione, dissipa energia. Tuttavia, una certa quantità di materia organica viene depositata ed accumulata in torbiere o, comunque, in ambienti poveri di ossigeno, che non permettono il ritorno alle condizioni di equilibrio. L’accumulo di resti animali e vegetali al di sotto della crosta terrestre è all’origine del complesso fenomeno della formazione dei combustibili fossili, che possono così accumulare l’energia solare assorbita per milioni di anni dalla Terra.
1.4.1. La radiazione solare
È opportuno ribadire come l’energia di cui dispone il sistema Terra sia indissolubilmente legata all’irraggiamento del Sole, il cui flusso energetico è di almeno 5.000 volte superiore a quello di tutte le altre fonti concorrenti. Ovviamente, poi, anche l’energia geotermica (la seconda in termini quantitativi) si esaurirebbe immediatamente, se dovesse venire a mancare la radiazione solare.
Sebbene il contributo del Sole sia così rilevante e preponderante per l’equilibrio energetico della Terra e, in ultima analisi, per la sopravvivenza delle specie viventi del pianeta, gran parte dell’energia che da esso giunge sulla Terra viene dispersa e non è direttamente disponibile per le attività umane. Si stima, infatti, che circa il 30% della radiazione solare incidente venga riflessa direttamente e dispersa nello spazio esterno in forma di radiazione a piccola lunghezza d’onda (circa 52.00012 W, Fig 1.4). L’atmosfera, la superficie terrestre e gli oceani assorbono,
poi, attorno al 47% del totale (circa 81.00012 W, Fig 1.4). Un altro 23% (circa 40.00012 W, Fig 1.4) viene
poi, attorno al 47% del totale (circa 81.000 W, Fig 1.4). Un altro 23% (circa 40.000 W, Fig 1.4) viene impiegato nei processi di evaporazione, convezione, precipitazione e scorrimento che caratterizzano il ciclo idrologico (il cosiddetto “ciclo dell’acqua”). Una piccola frazione, pari allo 0,2% (circa 370⋅1012 W, Fig 1.4),
sostiene i venti, la circolazione oceanica ed il moto ondoso e viene, in parte, dissipata sotto forma di calore per attrito. Una quantità ancora inferiore, cioè circa 40⋅1012W viene “catturata” dalla clorofilla contenuta nelle foglie,
più in generale nelle piante, e diviene la riserva energetica essenziale del processo fotosintetico. È questa la frazione di energia solare (0,02%), grazie alla quale, nelle varie ere geologiche, si sono formati, attraverso trasformazioni chimico fisiche di sostanze organiche (di origine vegetale ed animale) i giacimenti di combustibili fossili e di idrocarburi.
Se si considera che le attuali necessità energetiche si basano in modo preponderante sullo sfruttamento di tali risorse, si evince quale limitata percentuale dell’energia solare l’uomo oggi sia in grado di sfruttare in maniera conveniente.
1.4.2. L’interazione gravitazionale tra Terra, Sole e Luna
I sistemi gravitazionali Terra-Luna e Terra-Sole sono alla base del fenomeno delle maree. Le azioni dei due sistemi si combinano, però, in modo estremamente variabile.
I movimenti della Luna rispetto alla Terra avvengono, infatti, su un piano orbitale differente dal piano equatoriale terrestre e, d’altra parte, i periodi dei due corpi celesti sono diversi, come lo è distanza reciproca e rispetto al Sole, a causa dell’eccentricità delle orbite.
Dei due sistemi, quello Terra-Luna incide maggiormente sul fenomeno, a causa della ridotta distanza tra la Terra ed il suo satellite (distanza media 348.400 km), nonostante la massa di quest’ultimo sia 81,3 volte minore di quella della Terra e oltre 2.500.000 volte quella del Sole. Per quanto riguarda il sistema Terra-Sole, data la maggiore distanza tra i due astri (circa 149⋅106km), si hanno forze di marea minori, sebbene non trascurabili, in virtù, questa
volta, della enorme massa della stella (333.000 volte quella della Terra). volta, della enorme massa della stella (333.000 volte quella della Terra).
Gli altri corpi celesti, compresi quelli del sistema solare, invece, non hanno influenza apprezzabile sulle forze di marea. In complesso, dunque, la principale azione gravitazionale è quella che la Terra scambia con la Luna, mentre il Sole interviene solo a modificare l’ampiezza delle maree.
La forza generatrice delle maree è massima quando i tre corpi celesti si trovano allineati e l’attrazione lunare si somma a quella solare (sigizie), mentre è minima quando la Luna si trova al primo e all’ultimo quarto (quadrature), cioè quando la congiungente Terra-Luna è perpendicolare alla retta che unisce la Terra con il Sole. Il livello delle maree sigiziali e di quelle quadraturali ha uno scarto di circa il 20%, rispettivamente in più e in meno, dei livelli medi.
1.4.3. La geotermia e gli elementi radioattivi
Il flusso di calore proveniente dall’interno della Terra è stato valutato attraverso misure del gradiente geotermico e della conduttività termica delle rocce. Procedendo verticalmente verso l’interno si ha, per i primi chilometri, un aumento medio della temperatura di 3°C ogni 100 m; tale incremento non è però costante, poiché la temperatura massima del nucleo della Terra è di 4.500°C.
Tramite tali misure si è determinato un valore medio del flusso energetico di 0,063 W/m2 e, avendo la superficie
terrestre un’estensione di circa 510⋅1012 m2, si ottiene una potenza complessiva attorno a 32⋅1012W. Le sorgenti termali
ed i vulcani, però, conducono all’esterno solo l’1% del calore totale, per cui la potenza realmente disponibile è solo di circa 0,3⋅1012W (Fig. 1.4 e 1.5).
Il calore migra dal nucleo caldo del pianeta verso la crosta terrestre mediante due processi: la conduzione, che contribuisce solo in piccola parte, poiché le rocce sono cattive conduttrici di calore, e la convezione, che, al contrario, contribuisce solo in piccola parte, poiché le rocce sono cattive conduttrici di calore, e la convezione, che, al contrario, diffonde rapidamente le quantità di calore nei materiali allo stato fluido.
Benché abbia luogo una propagazione di calore in direzione della superficie della Terra e di qui verso lo spazio esterno, la temperatura all’interno del nucleo esterno rimane pressoché costante, perché mantenuta tale dall’apporto calorico delle radiazioni e delle particelle emanate dai radioisotopi, presenti al disotto della crosta terrestre.
L’energia geotermica deriva, dunque, dal decadimento8delle specie radioattive all’interno della Terra e, date le quantità