Per concludere, proponiamo il calcolo della temperatura media terrestre e di altri pianeti del sistema solare ad un livello alla portata di studenti liceali, seguendo l’approccio de- scritto nel lavoro [173]. Svolgere tali calcoli insieme agli studenti dopo aver chiesto loro di cimentarsi da soli, `e utile perch´e permette di richiamare e discutere gli argomenti legati ai concetti di clima, equilibrio dinamico, radiazione elettromagnetica e la legge di corpo nero di Planck. La scelta di proporre diversi pianeti ha come scopo quello di sottolinea- re che la temperatura non dipende solo dalla distanza dal Sole, ma in certi casi anche dall’effetto serra.
Temperatura terrestre
Capitolo 1. Il riscaldamento globale e l’effetto serra 43
geologiche della Terra, `e importante iniziare calcolando la temperatura che avrebbe se avesse albedo nullo (ossia se fosse un corpo nero perfetto, che assorbe completamente la radiazione solare incidente) e in assenza di atmosfera. I dati riguardanti la Terra sono riportati in [73], quelli riguardanti il Sole in [76].
Ipotizziamo che il Sole e la Terra emettano come corpi neri, che la superficie della Ter- ra colpita dai raggi solari, sia assimilabile a quella di un disco con raggio uguale a quello terrestre, Rt, che l’emissione terrestre sia omogenea su tutta la sua superficie, considerata
sferica di raggio Rt, che ci sia equilibrio dinamico.
Definiamo “costante solare” il valore della potenza per unit`a di superficie che arriva dal Sole all’esterno dell’atmosfera terrestre:
S0 =
4πR 2σT 4 4πd2
t
= 1367.9W/m2 (1.1)
dove R `e il raggio solare (6.96 × 108 m), T la temperatura superficiale del Sole
(5778 K) e d t il semiasse maggiore dell’orbita terrestre (1.496 × 1011 m). Il valore
ottenuto `e in accordo con il valore riportato in [73] pari a 1367.6 W/m2.
La potenza P ricevuta dal Sole sulla superficie terrestre dipender`a dall’area della
superficie irradiata, πR2t, e dalla costante solare, S0:
P 0= πR2tS0 (1.2)
La potenza Pt emessa dalla Terra dipender`a dalla superficie irradiante, 4πRt2, dalla
costante di Stefan-Boltzmann (σ = 5.67 · 10−8 W/(m2· K4)) e dalla quarta potenza della
temperatura media terrestre T4t0:
Pt0 = 4πRt2σTt04 (1.3)
All’equilibrio dinamico le due potenze devono essere uguali, per cui la temperatura media terrestre `e:
Tt0 = 4 r S0 4σ = 278.66K = 5.51 oC (1.4)
Consideriamo ora anche l’effetto dell’albedo terrestre, At = 0.306 [73]: non tutta la
radiazione solare incidente viene assorbita dalla superficie terrestre, ma una parte (30.6 %) viene riflessa.
La potenza P ricevuta dal Sole sulla superficie terrestre sar`a quindi minore rispetto
alla precedente:
P 1 = (1 − At)πR2tS0 (1.5)
mentre la potenza P1temessa dalla Terra sar`a identica al valore calcolato in precedenza
(Equazione1.3).
Anche in questo caso si ricava la temperatura media terrestre uguagliando le due potenze: Tt1 = 4 r (1 − At)S0 4σ = 254.34K = −18.81 oC (1.6)
Questa temperatura viene chiamata “temperatura effettiva della Terra”, spesso indicata con Te. Il calcolo pu`o naturalmente essere esteso ad un pianeta generico.
Dato che la temperatura terrestre misurata `e circa 15oC, bisogna considerare altri fat- tori.
Introduciamo quindi un modello semplificato di atmosfera: un singolo strato a temperatu- ra uniforme TA, che assorbe la radiazione infrarossa emessa dalla Terra e riemessa verso
la superficie terrestre, a causa dell’effetto serra (individuato da un fattore g compreso tra 0 e 1 che nel caso della Terra vale gt= 0.39, valore che si ricava dalla concentrazione dei
gas serra [173]).
Con l’introduzione di questo strato intorno alla Terra occorre considerare l’equilibrio dinamico a tre componenti, non pi`u a due soltanto.
Capitolo 1. Il riscaldamento globale e l’effetto serra 45
La potenza PAemessa dall’atmosfera sar`a:
PA= 4πRt2σT 4
A (1.7)
La potenza P ricevuta dal Sole sulla superficie dell’atmosfera terrestre sar`a quella
definita nell’equazione1.2.
La potenza Prricevuta dal Sole, ma riflessa dall’atmosfera sar`a:
Pr = AtπR2tS0 (1.8)
Per cui all’equilibrio dinamico per l’atmosfera si ha:
P 2 = Pr+ PA
ovvero:
S0 = AtS0+ 4σTA4
Quindi la temperatura dell’atmosfera `e identica al valore ottenuto in (1.4):
TA = 4
r 1 1 − At
· Te= 278.66K = 5.51oC (1.9)
Per quanto riguarda la temperatura della superficie terrestre, la potenza Pt2 emessa
dalla Terra `e descritta dall’Equazione (1.3), mentre la potenza Pt ricevuta dal Sole sulla
superficie terrestre, `e descritta dall’Equazione (1.5).
La potenza Pesricevuta dalla superficie terrestre per la presenza dell’effetto serra sar`a:
Pes = gt4πR2tσT 4
t2 (1.10)
Pt2 = Pt + Pes
ovvero:
4σTt24 = S0(1 − At) + 4gtσTt24
Per cui la temperatura della superficie terrestre in presenza di effetto serra `e:
Tt2 = Te· 4
r 1 1 − gt
= 287.79K = 14.64oC (1.11)
Dato che la temperatura media terrestre misurata `e 288 K [49], il risultato ottenuto `e compatibile con questo dato. Per quanto riguarda la temperatura dell’atmosfera, `e difficile calcolare una temperatura media (si confronti la Figura 1.1), per cui non si pu`o valutare la validit`a del valore ricavato.
Temperatura di Marte
L’effetto serra `e minore di quello terrestre in quanto l’atmosfera di Marte, nonostante sia composta in maggioranza da anidride carbonica, `e molto rarefatta. In questo caso occorre considerare che albedo, costante solare ed effetto serra hanno valori diversi: AM a
= 0.250 [74], SM a= 589.2 W/m2 [74] e gM a= 0.27 [173].
Riproponendo i vari tipi di modelli usati per la Terra, si ha:
Te−M a = 4 r (1 − AM a) · SM a 4 · σ = 210.10K = −63.05 oC TA−M a = 4 r 1 1 − AM a · TeM a = 225.77K = −47.38oC
Capitolo 1. Il riscaldamento globale e l’effetto serra 47 TM a = TeM a· 4 r 1 1 − gM a = 227.30K = −45.85oC
In questo caso la temperatura di Marte e della sua atmosfera sono molto vicine, in accordo con il basso contributo dell’effetto serra. Dato che la temperatura media misurata della superficie di Marte `e 227 K [173], il risultato ottenuto `e compatibile.
Temperatura di Mercurio
La temperatura effettiva di Mercurio pu`o essere considerata come temperatura del pianeta, in quanto questo ha un’atmosfera trascurabile [173] . L’albedo di Mercurio `e AM e= 0.068 [75] e la sua costante solare `e SM e = 9126.6 W/m2 [75], quindi:
Te−M e = 440.07K = 166.92oC
Il risultato `e in accordo con la temperatura media misurata della superficie di Mercurio `e 440 K [173].
Temperatura di Venere
Venere ha un’atmosfera con un effetto serra molto elevato [46], stimato con un fattore gv = 0.99 [173]; il pianeta ha anche un albedo elevato: Av = 0.75 [173]. La sua costante
solare ha un valore che `e compreso tra quello terrestre e quello di Mercurio: 2613.9 W/m2 [77].
Riproponendo i vari tipi di modelli usati per la Terra, si ha:
Tev = 231.68K = −41.47oC TAv = 4 r 1 1 − Av · Tev = 327.64K = 54.49oC
Tv = Tev· 4
r 1 1 − gv
= 732.61K = 459.46oC
Dato che la temperatura media misurata della superficie di Venere `e 738 K [173], il risultato ottenuto mostra l’importanza dell’effetto serra.
Capitolo 2
La letteratura didattica sul
riscaldamento globale e sull’effetto
serra
In questo capitolo verr`a presentata una rassegna della letteratura sulla didattica del riscal- damento globale e sull’effetto serra, introducendo i misconcetti legati a tali argomenti e gli interventi didattici pubblicati sull’argomento.
2.1
I misconcetti
Il principale argomento di studio della ricerca nella didattica delle scienze `e rappresentato dai misconcetti. Per “misconcetto” si intende una rappresentazione mentale, un tenta- tivo di interpretare la realt`a che si esegue inconsapevolmente fin dall’infanzia: mano a mano che si studiano le scienze, il misconcetto entra in contrasto con ci`o che viene pro- posto dagli insegnanti e crea confusione riguardo a quel dato argomento. Si definiscono misconcetti [107]:
Le “rappresentazioni mentali ... [le] conoscenze difformi dalle conoscenze scientifiche (conoscenze alternative), ... [l’] ostacolo all’acquisizione di co- noscenze pi`u complesse (barriere cognitive), ... [i] preliminari alle conoscen- ze formalizzate dall’insegnamento scientifico (preconcezioni) o, infine, ... [le conoscenze] caratterizzate da differente natura (conoscenze spontanee).”
Nello studio dei misconcetti sono coinvolti molti campi di indagine. Ogni ricerca su tale argomento si concentra su uno o pi`u misconcetti e su una categoria di soggetti (differente per et`a e/o professione; nell’ambito scolastico per tipo di scuola) da intervista- re. I misconcetti vengono scoperti dall’analisi di sondaggi rivolti a studenti, a insegnan- ti o genericamente a tutta la popolazione; nel caso della popolazione scolastica, anche dall’analisi di compiti in classe e di interrogazioni.
In questa sezione verranno analizzati i misconcetti, relativi al riscaldamento globale e all’effetto serra, presenti negli studenti delle scuole superiori, ossia di et`a compresa tra i 13 e i 19 anni, il soggetto didattico di questa tesi. Per completezza, saranno menzionati anche i misconcetti presenti in studenti di altre fasce d’et`a [165] e nella popolazione in generale [177].
In generale, la popolazione non conosce affatto l’effetto serra, come mostrano le rispo- ste alla domanda diretta posta in uno studio canadese ai bambini di 8-9 anni, agli adole- scenti di 13-14 anni e agli adulti [177] e da uno studio sugli studenti svedesi di 15-16 anni e di 18-19 anni [3]. In [177] si riscontra come i bambini siano i pi`u ignoranti in materia, ammettendo di non conoscere affatto l’argomento. Gli adolescenti e gli adulti presentano gli stessi tipi di misconcetti: confusione tra i concetti di effetto serra e di ozono (sia come strato, sia come buco nello strato), tra cause e conseguenze dell’effetto serra, tra i diversi tipi di radiazione coinvolti (discussi in dettaglio nel seguito). Per quanto riguarda la cor- rettezza scientifica dei concetti, solo il 22.2% degli adulti intervistati nello studio [177] riesce a fornire una spiegazione dell’effetto serra in linea con quella scientifica. Un’altra differenza generazionale che emerge nel lavoro [177] riguarda l’opinione sulla possibilit`a
Capitolo 2. La letteratura didattica sul riscaldamento globale e sull’effetto serra 51
di poter risolvere il problema del riscaldamento globale. Gli adolescenti sono entusiasti, ma non pensano che gli adulti potranno mai cambiare atteggiamento. Dall’altro lato, gli adulti sono interessati e pensano che il cambiamento non riguardi loro in prima persona, ma che si possa migliorare la situazione con leggi opportune e con interventi nei mezzi di comunicazione, proponendo i comportamenti da tenere per la salvaguardia dell’ambiente. Nei casi in cui adulti e studenti affermano di conoscere l’effetto serra, non fanno alcu- na distinzione tra questo e il riscaldamento globale [3]. Ci`o `e confermato anche dallo stu- dio [18] che coinvolge studenti inglesi da 10-11 anni a 15-16 anni. Inoltre gli intervistati considerano l’effetto serra come un problema legato all’inquinamento ambientale, quin- di solo di origine antropogenica, e non un fenomeno anche di origine naturale derivante dalla presenza di gas serra nell’atmosfera [159] (studenti greci di 11-12 anni).
Una fonte di confusione ed errori `e legata al concetto di radiazione. Molti studenti delle scuole secondarie inferiori e superiori non riescono a distinguere tra i diversi tipi di onde elettromagnetiche. Gli studenti parlano di raggi ultravioletti, raggi solari, raggi termici, raggi infrarossi e cos`ı via, passando da un nome all’altro come fossero sinonimi. Ci`o avviene sia quando gli studenti discutono sulla radiazione in generale [171] (studenti austriaci dai 14 ai 16 anni), sia quando parlano di riscaldamento globale [159]. Tra gli studenti delle scuole secondarie che distinguono i diversi tipi di radiazioni elettromagne- tiche, una parte non riesce ad identificare la radiazione legata all’effetto serra [159]. In questo gruppo alcuni studenti sostengono che l’effetto serra sia dovuto all’aumento dei raggi ultravioletti causato dal buco nell’ozono (che sar`a approfondito pi`u avanti), per altri la causa `e il calore proveniente dal Sole, senza alcun accenno alla radiazione emessa dalla superficie terrestre [159].
Un altro problema `e costituito dalla scarsa conoscenza della composizione dell’atmo- sfera. Pochi studenti identificano i principali componenti e la loro corretta proporzione [149]. Il lavoro citato `e uno studio dei misconcetti legati all’atmosfera, all’effetto serra, all’ozono e alle piogge acide eseguito sugli studenti di 15-16 anni e di 17-18 anni in Ger-
mania, Spagna, Taiwan e Russia. Nel lavoro viene sottolineato il fatto che molti studenti fanno coincidere tre diverse componenti presenti nell’atmosfera [149]: “le tracce di altri gas” (i gas presenti nell’atmosfera oltre a ossigeno e azoto), le sostanze inquinanti che loro chiamano “aria inquinata dalle attivit`a umane”, i gas serra veri e propri (vedi anche [177], [159]). Il lavoro presenta anche una proposta didattica per l’inserimento di tali argomenti nelle lezioni di chimica per gli studenti di 15-16 anni. Questa sovrapposizione di concetti diversi evidenzia che gli studenti non conoscono affatto la composizione dell’atmosfera e che considerano l’effetto serra un problema dovuto solamente alle attivit`a umane. An- che l’identificazione dei gas serra `e confusa: pochi studenti riconoscono il vapore acqueo come uno dei principali gas serra, pensando che il problema riguardi solo l’anidride car- bonica (tale confusione `e riportata anche in [159]). Altri studi sull’identificazione dei gas serra evidenziano che alcuni studenti delle scuole superiori non considerano gas serra n´e l’ozono troposferico (pensano che esista solo quello stratosferico, ma questo ha una vita media troppo breve per poter costituire un problema come gas serra), n´e i gas prodotti dai fertilizzanti (metano, ossido di azoto) [18], o, aspetto veramente sorprendente, neanche l’anidride carbonica [177], [18].
Per molti studenti delle scuole secondarie inferiori e superiori i gas serra o l’anidride carbonica formano un sottile strato nell’atmosfera intorno alla Terra [159], o un “coper- chio” o una “pelle” o un “tetto” [3]. Questo dimostra che gli studenti non hanno ben chiaro il meccanismo di riscaldamento della Terra e il ruolo dei gas serra. Per alcuni stu- denti delle superiori la causa del riscaldamento globale risiede proprio nella presenza di questa “barriera” di gas che ritengono respinga verso il suolo il calore della Terra, anche se aggiungono che questo meccanismo `e necessario per mantenere la vita sulla Terra [3].
Un’altra fonte di confusione `e il legame tra lo strato d’ozono e l’effetto serra, come gi`a accennato in precedenza. Alcuni studenti degli istituti secondari inferiori pensano che i raggi solari riflessi dalla superficie terrestre rimangano intrappolati grazie allo strato di ozono [159]. Per vari studenti delle superiori il buco nell’ozono permette ad una quantit`a
Capitolo 2. La letteratura didattica sul riscaldamento globale e sull’effetto serra 53
maggiore di radiazione solare di arrivare al suolo, causando un maggiore riscaldamento [177], [18]. Per altri studenti delle scuole secondarie inferiori e superiori [20] (studenti inglesi da 11 a 16 anni) il buco nell’ozono permette all’aria fredda di fuggire verso lo spazio, per cui vicino alla superficie terrestre rimarrebbe solo l’aria calda e questo au- menterebbe la temperatura media globale (mostrando quindi di avere misconcetti anche sulla convenzione e sui meccanismi di trasporto di calore in generale).
Interessante `e anche la confusione degli studenti sui concetti di clima e di meteo: alcuni studenti ritengono di essere testimoni del cambiamento climatico nelle loro vite, mentre in realt`a hanno in mente le variazioni meteorologiche [149].
Passiamo ora a vedere quali siano le cause del riscaldamento globale e del cambiamen- to climatico per gli studenti dalle elementari alle superiori. Gli studenti li attribuiscono soprattutto all’inquinamento, che separano in due tipi. Il primo tipo di inquinamento `e quello in cui si riconoscono come responsabili diretti: produzione e smaltimento della spazzatura e uso di prodotti che danneggiano l’ambiente. Il secondo tipo di inquinamento `e quello in cui sono indicati come responsabili le industrie o le politiche nazionali, cio`e fattori non controllabili in prima persona: piogge acide, scorie nucleari, inquinamento nell’aria, produzione di gas che da loro vengono definiti “chimici”1, dannosi e artificiali [177], [3], [18]. Gli studenti dalle elementari alle superiori usano il termine “inquinamen- to” in un senso vago e generale, come ad esempio “l’inquinamento `e caldo e aumenta il calore del sole” o “l’inquinamento, la sporcizia (senza ulteriori dettagli)” [177].
Gli studenti attribuiscono il riscaldamento globale anche a cambiamenti nella radia- zione solare. Pensano, infatti, che ci possa essere un incremento della capacit`a della ra- diazione di penetrare l’atmosfera, oppure che l’aumento della radiazione solare incidente sia dovuto all’avvicinarsi della Terra al Sole [18].
E’ interessante ascoltare l’opinione degli studenti delle superiori su quali siano gli impatti e le possibili soluzioni per il riscaldamento globale e il cambiamento climatico.
Alcuni studenti delle superiori ritengono che non cambier`a niente durante la loro vita [177], altri sovrastimano l’effetto calcolando temperature pi`u alte di circa 4oC per la data
in cui si trovano e di circa 10oC entro 50 anni [177], altri ancora ritengono che riscalda- mento globale e cambiamenti climatici causino il cancro della pelle [18].
Alcuni studenti delle superiori non comprendono il concetto di variabilit`a climatica in regioni diverse, ovvero la presenza di zone in cui aumentano le inondazioni e di altre in cui si intensifica la desertificazione [20]. Altri studenti delle superiori pensano che i gas serra causino un buco nello strato d’ozono o che l’effetto serra permetta all’aria inquinata di salire e assottigliare lo strato d’ozono [20], [19] (studenti greci tra gli 11 e i 16 anni), altri che i gas serra provochino l’inquinamento nell’aria [159].
Per quanto riguarda invece le soluzioni per rallentare o addirittura arrestare il riscalda- meno globale e i cambiamenti climatici, alcuni studenti delle superiori [18] pensano che siano necessarie delle azioni che loro ritengono essenziali, utili per l’ambiente, ma non necessariamente un impatto diretto sul clima: protezione di specie rare, riduzione dell’ar- senale nucleare, pulizia delle spiagge, uso di benzina senza piombo, raccolta differenziata e pulizia delle strade [18]. Altri studenti delle superiori non hanno consapevolezza del- le implicazioni socio-economiche del controllo delle emissioni di anidride carbonica [3] e, da non sottovalutare, altri ancora ritengono che non si possa rallentare o fermare il riscaldamento globale [177].
Sono stati eseguiti sondaggi anche sugli aspiranti insegnanti delle superiori e delle scuole primarie. Uno studio sugli insegnanti di biologia, scienze e pedagogia in Turchia [155] ha mostrato che gli insegnanti condividono gli stessi misconcetti degli studenti, gi`a discussi precedentemente. Un altro tipo di sondaggio `e stato effettuato su tirocinanti e insegnanti nelle scuole secondarie inferiori (quelli delle classi cipriote di 11-12 anni [29]) per confrontare le presunte, da parte degli insegnanti, conoscenze degli studenti con quel- le effettive. Da questo studio `e emerso che tirocinanti e insegnanti sovrastimano le reali conoscenze degli studenti. Inoltre la loro conoscenza del fenomeno non `e completa o
Capitolo 2. La letteratura didattica sul riscaldamento globale e sull’effetto serra 55
`e parzialmente errata; anche in questo studio emergono i misconcetti descritti in prece- denza. Bisogna comunque sottolineare che tali argomenti non fanno parte del programma didattico canonico delle scuole analizzate dai sondaggi o delle corrispondenti italiane. Sa- rebbe necessaria una formazione degli insegnanti prima di proporre un percorso didattico con tali argomenti nelle classi, vista anche l’assenza da molti programmi universitari (sia in scienze della formazione (per i futuri maestri elementari) che in fisica (per i futuri inse- gnanti delle medie e delle superiori e per i divulgatori scientifici)). Sarebbe consigliabile ripetere questa ricerca anche con i docenti italiani degli istituti superiori e dell’Universit`a.
Lo studio [162] propone un’interessante analisi su un corso di metodi scientifici per studenti universitari statunitensi della facolt`a per l’insegnamento delle scienze e per inse- gnanti elementari (con un’esperienza media di 9 anni). Il corso prevede l’assegnazione di materiali sul cambiamento climatico, la visione del film “Una scomoda verit`a” [39] (discusso nel paragrafo7.3del capitolo7) ed un’intervista collettiva al termine del corso. Questa ricerca ha messo in evidenza i misconcetti gi`a menzionati in precedenza ed alcuni derivanti da una cattiva comprensione del contenuto del film. Per alcuni intervistati non `e chiaro il meccanismo attraverso il quale la radiazione elettromagnetica possa riscaldare un oggetto investito da essa. Alcuni partecipanti credono che i gas serra intrappolino il calore, altri che questi stessi siano intrappolati sulla Terra e non possano sfuggire. Una percentuale dei partecipanti ritiene che l’effetto serra sia un meccanismo che permette all’anidride carbonica di entrare nell’atmosfera ma non di fuoriuscire, altri che “la ra- diazione solare `e immagazzinata dentro il terreno e poi emessa indietro nell’atmosfera come CO2” [162]. Alcuni ritengono che i gas serra vengano catturati da una zona della
Terra e si muovano verso un’altra grazie al vento, altri che i gas serra sono situati nello strato d’ozono e intrappolano pi`u efficacemente il calore terrestre. Alcuni pensano che il ciclo del carbonio agisca come un filtro dell’atmosfera, un purificatore dell’aria, altri confondono carbonio e anidride carbonica. Dall’analisi delle interviste di questo studio emerge anche che in molti universitari e laureati si ritrova la confusione tra clima e meteo.
Un misconcetto non affrontato negli studi discussi in precedenza riguarda l’andamento della concentrazione di CO2 nel tempo. Alcuni intervistati, del gruppo di universitari e
post-laureati, pensano che l’anidride carbonica venga incamerata (per alcuni nelle pian- te) durante la primavera e l’estate, mentre verrebbe rilasciata nel resto dell’anno. Altri partecipanti, addirittura, interpretano la curva di Keeling (paragrafo 1.5 del capitolo 1) come la prova di una pulsazione tipo respiro della Terra (inspirazione in primavera, esta- te ed espirazione in autunno, inverno), dovuto al passaggio di anidride carbonica dalla vegetazione dell’emisfero nord a quella dell’emisfero sud. Alcuni tra questi intervistati presentano dei misconcetti che sembrano derivare dalla visione del film proposto, forse a causa dell’insistenza di questo su alcuni temi. Alcuni tra gli intervistati credono che solo le correnti oceaniche regolino il clima terrestre, che un elevato grado di salinit`a delle acque causi tempeste, tifoni e eruzioni vulcaniche, che l’acqua densa e fredda nell’ocea- no possa interrompere la “cintura di convezione” delle correnti e che l’aumento di acidit`a degli oceani riscaldi le masse d’acqua oceaniche, riducendo le onde di marea e le correnti oceaniche con conseguenti alterazioni degli ecosistemi biologici.