Effetto serra - chimica ambientale

Effetto serra

L'effetto serra è un fenomeno naturale senza il quale la vita come la conosciamo adesso non sarebbe possibile. Questo processo consiste in un riscaldamento del pianeta per effetto dell'azione dei gas serra (CO₂, vapore acqueo, CH₄ ecc.). L'effetto serra consiste nel ritorno a Terra della radiazione solare ad opera principalmente dei gas serra. I gas serra presenti nell'atmosfera sono in grado di trattenere parte della radiazione dell'IR termico emessa dalla Terra, favorendo la regolazione e il mantenimento della temperatura terrestre intorno ai +15°C; se ciò non avvenisse avremmo una temperatura di -18°C.

Bilancio energetico della Terra

Per parlare di effetto serra dobbiamo considerare quello che è il bilancio energetico della Terra, che riceve tutta la sua energia dal Sole. Il Sole si comporta come un corpo nero con una temperatura di 5780K e presenta uno spettro di emissione che ha un massimo intorno a circa 500nm (frequenze del verde). Non tutte le frequenze emesse dal Sole raggiungono la Terra poiché in parte vengono filtrate dai gas presenti in atmosfera.

• Il 50% della radiazione solare che entra nell'atmosfera raggiunge la Terra
• Il restante 50% viene:
  • Assorbito (20%) da particelle sospese in atmosfera
  • Riflesso (30%) da nubi, particelle in sospensione ecc.

Il 30% dipende dal fatto che l'albedo (capacità di riflettere la luce) medio della Terra è 0.3. La capacità riflettente varia a seconda delle superfici (calotte polari, albedo del 90% hanno colore molto chiaro mentre l'asfalto minore).

Una volta che l'energia arriva sulla Terra dovrà necessariamente essere riemessa in parte affinché la temperatura della Terra rimanga costante. Questo avviene attraverso il fenomeno dell'irraggiamento. La Terra non è un corpo caldo come il Sole, quindi emetterà ad una lunghezza d'onda maggiore, in particolare emette nella zona dell'IR termico tra 5 e 50μm con un picco tra 10 e 13μm.

Velocità di rilascio: E = kT⁴

Bilancio quantitativo

Se volessimo fare un bilancio un po' più quantitativo, il Sole irraggia la Terra con circa 342 W/m²; di questi 342, 235 vengono assorbiti sia dall'atmosfera che dal suolo e circa 107 ritornano invece nello spazio. Se non esistesse l'effetto serra e la Terra dovesse mantenere la temperatura costante dovrebbe riemettere circa 235 W/m² ma considerando che esistono i gas serra in realtà la Terra deve riemettere 390 W/m² di cui 155 verranno trattenuti dai gas serra.

I gas serra

I gas serra sono dei gas presenti nella nostra atmosfera in grado di assorbire la radiazione dell'IR termico, cioè la lunghezza d'onda attraverso cui la Terra riemette verso lo spazio. Questi assorbimenti corrispondono a moti di natura vibrazionale e visto che parliamo di un IR a un'onda piuttosto lunga troveremo principalmente moti di stretching asimmetrico e di bending. (Lo stretching simmetrico lo si ha per i CFC).

• CO₂ → Assorbe intorno a 4.5-5 μm con il moto di stretching asimmetrico; per il bending invece assorbe a circa 15 μm.
• Vapore acqueo → Assorbe tra 5.5 e 7 μm e dopo i 18 μm.
• Metano → Assorbe con delle vibrazioni di bending intorno a 7-8 μm.

Da queste frequenze emerge il fatto che esiste una finestra di fuga, ovvero un intervallo di frequenze che va da 8 a 13 μm.