Come misurare e riprodurre l’effetto serra

Il naturale “effetto serra” della Terra è oggetto di molte polemiche tra coloro che sono interessati al riscaldamento globale. L’effetto serra esiste davvero? L’aggiunta di anidride carbonica nell’atmosfera rende più forte l’effetto serra? Puoi eseguire un semplice esperimento nel tuo cortile che dimostra la tesi centrale della teoria dell’effetto serra: il fatto che la radiazione infrarossa (IR) emessa verso il basso dall’atmosfera rende la superficie della Terra più calda rispetto a se l’effetto serra non esistesse. In un secondo esperimento vedremo invece come si può riprodurre in scala l’effetto serra a casa propria.

L’atmosfera agisce come una coperta che intrappola il calore. La vita come la conosciamo non potrebbe esistere sulla Terra senza il riscaldamento prodotto dall’effetto serra. Il riscaldamento globale, invece, si riferisce al graduale aumento della temperatura media della Terra prodotto dall’aumento della concentrazione di gas serra nell’atmosfera, e in particolare dell’anidride carbonica (CO2).

La nostra atmosfera è fatta principalmente di azoto e ossigeno, ma contiene anche molti altri gas. Questi includono anidride carbonica, metano, protossido di azoto, vapore acqueo e ozono, noti come gas a effetto serra. I gas serra vengono rilasciati naturalmente attraverso i processi geologici e l’attività metabolica della vita, oltre che da molti processi industriali e dall’uso di combustibili fossili.

La temperatura “IR” del cielo e delle nuvole

Il nostro primo esperimento usa un termometro a infrarossi, acquistabile su Internet per circa 30-40 € o anche meno, ad esempio in noti negozi online come questo. Un termometro a infrarossi usa un sensore elettronico sensibile all’infrarosso per misurare parte della radiazione termica emessa da una superficie – talvolta chiamata anche “radiazione di corpo nero” – ed estrapola la sua temperatura tramite un’opportuna ipotesi sulla sua emissività.

Funzionamento e area di misura di un tipico termometro laser a infrarossi. Puoi trovare dei termometri del genere con un ottimo rapporto qualità/prezzo qui.

Isolando termicamente il sensore e focalizzando la luce a infrarossi su di esso usando una lente appositamente progettata, lo strumento misura l’intensità della luce infrarossa proveniente da qualsiasi oggetto verso cui è puntato il termometro e visualizza tale intensità in termini di temperatura di emissione. In pratica, per gli usi che sono necessari in questa esperienza, basta accendere il termometro IR e puntarlo, nonché leggere il valore di temperatura fornito sul display digitale.

Se si punta il termometro IR verso un cielo limpido, indicherà quasi sempre una temperatura inferiore alla temperatura dell’aria circostante. Ciò perché misura la radiazione IR originata dall’alto dell’atmosfera, dove le temperature sono più fredde. Inoltre, parte dello sfondo freddo dello spazio esterno splende attraverso l’atmosfera, ma tale effetto è piccolo: un termometro IR che guarda il cielo vede una temperatura corrispondente all’altitudine in cui si trova la maggior parte del vapore acqueo.

Se l’umidità della massa d’aria è molto secca, il termometro leggerà in genere temperature ben al di sotto di 0 °C, a volte inferiore a -32 °C. Se l’aria è molto umida, leggerà temperature molto più calde, più vicine a -1 o 4 °C, o anche superiore. Sebbene anche la temperatura media della massa d’aria sovrastante abbia qualche effetto, la risposta del termometro IR ai cambiamenti di umidità sarà molto più grande di quella che i cambiamenti della temperatura dell’aria possono spiegare.

Uso di un termometro infrarosso per dimostrare l’effetto serra atmosferico. Nel caso di atmosfera secca, l’emissione IR avviene da strati posti ad altitudini più elevate e fredde.

Vi sono due ragioni per cui la massa d’aria più umida fornisce una lettura della temperatura più elevata, che sono entrambe dovute al fatto che l’atmosfera è più opaca (meno trasparente) alla radiazione IR: (1) meno del freddo spazio esterno viene visto dal termometro, e (2) l’emissione IR proviene da una bassa altitudine nell’atmosfera, che è quasi sempre più calda rispetto alle altitudini più elevate.

Se si punta il termometro su una nuvola, che è molto opaca al trasferimento della radiazione IR, si misurerà la temperatura approssimativa della nuvola. Se è una nuvola a bassa quota, quella temperatura potrebbe avvicinarsi alla temperatura dell’aria intorno a te, diciamo 18 °C per la nuvola quando la temperatura dell’aria intorno a te è di 24 °C. Le nubi di alta quota registreranno una temperatura molto più fredda perché esistono ad altitudini in cui la temperatura è molto più fredda.

La dimostrazione dell’effetto serra

La teoria dell’effetto serra afferma che la radiazione infrarossa emessa verso il basso aumenta la temperatura della superficie terrestre al di sopra di ciò che avverrebbe se i componenti serra dell’atmosfera non esistessero. Il termometro IR misura effettivamente il riscaldamento del cielo in risposta a quanto è forte l’emissione IR verso il basso proveniente dal cielo. Le nuvole basse e l’aria ad alta umidità rendono più forte l’effetto serra. Un’atmosfera molto secca e chiara rende l’effetto serra più debole.

Pertanto, il termometro IR misura esattamente ciò che la teoria predittiva dell’effetto serra predice: un cambiamento di temperatura (in questo caso, della termocoppia) in risposta a varie intensità dell’emissione IR verso il basso dal cielo. Questa è la prova diretta dell’effetto serra della Terra: l’emissione infrarossa verso il basso del cielo influenza la temperatura superficiale della Terra. Maggiore è l’intensità di questa emissione verso il basso, più calda è la temperatura della superficie.

Le nuvole mostrano una temperatura di emissione più alta rispetto al cielo che ne è privo.

Infine, non è necessario attendere un cambiamento di umidità, o che appaiano delle nuvole, per fare questo esperimento. Se il cielo è limpido, basta puntare il termometro IR verso l’alto – sulla verticale o quasi – notare la sua temperatura, quindi scansionare lentamente verso l’orizzonte. La temperatura indicata aumenterà lentamente perché il termometro IR sta vedendo più atmosfera, e quindi più gas serra, lungo un percorso inclinato rispetto a quello che vede puntando verso la verticale.

Il riscaldamento per effetto serra della superficie terrestre è ritenuto da alcune persone fisicamente impossibile. Sostengono che violerebbe la 2a Legge della Termodinamica, la quale afferma sostanzialmente che l’energia deve fluire da temperature più elevate a temperature più basse.

La ragione di questa apparente violazione è che l’esistenza di gas serra negli strati centrale e superiore dell’atmosfera più fredda rende la superficie più calda, il che suggerirebbe il flusso di energia dalle temperature più fredde a quelle più calde, che sembrerebbe violare la 2a Legge. Ma l’effetto serra è un po’ come aggiungere un coperchio per coprire una pentola d’acqua sul fornello: anche se il coperchio è più freddo dell’acqua, la sua presenza rende l’acqua più calda.

In altre parole, il flusso della radiazione IR tra due oggetti è sempre bidirezionale, con il flusso netto totale che va dalle temperature più calde a quelle più fredde. Quindi, la 2a Legge non è realmente violata perché è il flusso netto di energia che deve essere dalle temperature più calde a quelle più fredde, che è davvero il caso dell’effetto serra, e dell’aggiungere un coperchio alla pentola d’acqua sul fornello.

L’effetto serra riprodotto in casa

In realtà, è possibile riprodurre e misurare l’effetto serra anche in casa, usando delle bottiglie di plastica da 2 litri, un po’ di terra e di acqua. Lo si può fare misurando i cambiamenti di temperatura e gli effetti dell’umidità del suolo. In una serra, infatti, la luce visibile (proveniente ad es. dal Sole) penetra facilmente nelle pareti di vetro o di plastica, ma il calore (sotto forma di radiazione infrarossa) no.

I materiali occorrenti per questa esperienza sono i seguenti:

  • 2 bottiglie di plastica da 2 litri trasparenti
  • Un film di plastica trasparente per coprire le “serre”
  • Stringhe o elastici per tenere in posizione la plastica
  • 2 termometri tradizionali
  • Due pezzi di cartone sottile da 6 x 6 cm
  • Un po’ di terra
  • Cubetti di ghiaccio
  • Acqua
  • Righelli in plastica
  • Nastro adesivo
  • Coltello e forbici per tagliare le bottiglie di plastica
  • Sorgente luminosa da 100 W

Taglia le due bottiglie vicino alla spalla, in modo che siano alte circa 20 cm dal fondo, per cui non intrappoleranno l’aria. Se hai intenzione di svolgere questa esperienza in un giorno nuvoloso, avrai bisogno di una fonte di luce/calore. Puoi usare un lampadina da 100 W in una lampada a clip fissata a un supporto. I termometri dovranno essere rivolti nella stessa direzione rispetto alla sorgente luminosa. Dovrebbero essere necessari circa 15 minuti per preparare le due serre.

Il setup dell’esperimento sull’effetto serra casalingo.

È necessario lasciare le bottiglie alla luce diretta del sole per 30-50 minuti, a seconda delle condizioni meteo. Lasciale 50 minuti se utilizzate la lampadina indoor. Assicurati che le bottiglie siano in un luogo in cui rimarranno alla luce solare diretta per tutta la durata dell’esperimento. Per testare l’effetto con terra umida, assicurati di usare lo stesso tipo e la stessa quantità di terreno in entrambe le serre, la bottiglia sperimentale vera e propria e quella che funge invece da controllo.

Per testare invece l’effetto sulla temperatura dell’acqua, assicuratevi di utilizzare la stessa quantità di acqua nella parte inferiore di ogni bottiglia. Il bulbo del termometro deve estendersi nell’acqua fino alla stessa profondità. Per testare l’effetto sull’acqua ghiacciata, infine, iniziate con circa 10 cm di acqua sul fondo di ogni bottiglia. Segnate il livello dell’acqua all’esterno di ogni bottiglia con un pennarello indelebile. Aggiungete poi 6-12 cubetti di ghiaccio per ogni bottiglia.

In questo esperimento, la modifica del livello dell’acqua è più importante della differenza di temperatura. Continua l’esperimento fino a quando tutto il ghiaccio si scioglie. Pertanto, come avrai forse intuito, puoi scegliere testare gli effetti dell’effetto serra in uno dei seguenti modi: solo temperatura dell’aria; temperatura dell’aria sopra il suolo; temperatura del suolo; temperatura dell’acqua; e calotte polari. Nel caso di una scolaresca, è possibile affidare a gruppi diversi un modo diverso.

È facile progettare un esperimento usando l’attrezzatura a disposizione. L’esperimento di controllo usa la bottiglia senza il coperchio di plastica, mentre l’altra bottiglia verrà sigillata con il film di pellicola di plastica. Dovrete lasciare le bottiglie alla luce solare diretta per 30-50 minuti e registrare le osservazioni prima, durante e dopo il periodo in cui le bottiglie sono alla luce. Nel caso dell’illuminazione artificiale con la lampadina, occorrerà un’oretta se essa è da 100 W e non opaca.

Se vuoi rendere la misurazione più precisa, infila una termocoppia (o altro sensore di temperatura) in ciascuna bottiglia, facendolo passare in un forellino creato con un cacciavite riscaldato su una fiamma, e poi sigilla il foro residuo con del silicone. Dopodiché interfaccia ciascun sensore al computer con il relativo hardware e software oppure con una semplice scheda Arduino. Puoi anche porre la scheda Arduino nella bottiglia e usare il bluetooth per inviare i dati al computer.

Temperatura in un recipiente trasparente chiuso (linea rossa) riscaldato per effetto serra vs. la temperatura ambiente, entrambe misurabili con sensori interfacciati ad Arduino.

Verifica se, alla fine dell’esperimento, le ipotesi sull’effetto serra sono state confermate. Dopodiché, potresti provare alcune varianti dell’esperimento per estendere il divertimento. Ad esempio, potresti testare altre variabili, come il terreno umido o secco, diversi tipi o colori del suolo, tassi di evaporazione dell’acqua dal suolo e acqua salata contro acqua dolce. Puoi anche testare l’effetto dell’uso di bottiglie di colore verde piuttosto che chiaro o del cambiare la quantità di luce che entra nella bottiglia.

La spiegazione di ciò che si osserva è semplice. In questa esperienza, le bottiglie sono serre. La temperatura riflette le proprietà radiative e l’efficace capacità isolante dell’involucro di plastica che copre la parte superiore delle bottiglie. Questo è un semplice modello di effetto serra analogo alla capacità dell’atmosfera di intrappolare il calore, dove il film di plastica svolge il ruolo della sottile atmosfera.

Quando l’energia del Sole raggiunge l’atmosfera della Terra, parte di essa viene riflessa nello spazio dagli strati più densi dell’atmosfera, dal particolato, dalle nuvole e dalle proprietà riflettenti della superficie terrestre, dagli oceani e dalle calotte polari. L’energia rimanente passa attraverso lo strato di gas serra e viene assorbita da la superficie della Terra (composta da terra e acqua). Alla fine, la terra e l’acqua rilasciano parte di quell’energia sotto forma di radiazione infrarossa.

L’effetto serra prodotto dai potenti gas serra come metano e anidride carbonica.

Quando la radiazione infrarossa incontra i gas serra, gran parte di essa viene assorbita e re-irradiata. Una viene irradiata al suolo e verso gli oceani, che assorbono l’energia re-irradiata. Se non fosse per le proprietà isolanti dell’effetto serra atmosferico, la vita come la conosciamo non sarebbe possibile sulla Terra. Ma un aumento eccessivo della concentrazione di gas serra può produrre effetti devastanti, come il global warming, il cambiamento climatico e l’innalzamento del livello dei mari.

Leave a Reply