Il satellite Orbiting Carbon Observatory effettua misurazioni precise dei livelli di anidride carbonica della Terra dallo spazio. Credito:NASA/JPL
Mi viene spesso chiesto come l'anidride carbonica possa avere un effetto importante sul clima globale quando la sua concentrazione è così piccola, appena lo 0,041% dell'atmosfera terrestre. E le attività umane sono responsabili solo del 32% di tale importo.
Studio l'importanza dei gas atmosferici per l'inquinamento atmosferico e il cambiamento climatico. La chiave della forte influenza dell'anidride carbonica sul clima è la sua capacità di assorbire il calore emesso dalla superficie del nostro pianeta, impedendogli di fuggire nello spazio.
La prima scienza della serra
Anche gli scienziati che per primi identificarono l'importanza dell'anidride carbonica per il clima negli anni 1850 furono sorpresi dalla sua influenza. Lavorando separatamente, John Tyndall in Inghilterra ed Eunice Foote negli Stati Uniti hanno scoperto che l'anidride carbonica, vapore acqueo e metano tutto il calore assorbito, mentre i gas più abbondanti no.
Gli scienziati avevano già calcolato che la Terra era circa 59 gradi Fahrenheit (33 gradi Celsius) più calda di quanto dovrebbe essere, data la quantità di luce solare che raggiunge la sua superficie. La migliore spiegazione per quella discrepanza era che l'atmosfera tratteneva il calore per riscaldare il pianeta.
Tyndall e Foote hanno mostrato che l'azoto e l'ossigeno, che insieme rappresentano il 99% dell'atmosfera, non avevano essenzialmente alcuna influenza sulla temperatura terrestre perché non assorbivano calore. Piuttosto, hanno scoperto che i gas presenti in concentrazioni molto più piccole erano interamente responsabili del mantenimento delle temperature che rendevano la Terra abitabile, intrappolando il calore per creare un effetto serra naturale.
La 'Curva di Keeling, ' chiamato per lo scienziato Charles David Keeling, traccia l'accumulo di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre, misurata in parti per milione. Credito:Scripps Institution of Oceanography, CC BY
Una coperta nell'atmosfera
La Terra riceve costantemente energia dal sole e la irradia nello spazio. Affinché la temperatura del pianeta rimanga costante, il calore netto che riceve dal sole deve essere bilanciato dal calore in uscita che emana.
Poiché il sole è caldo, emette energia sotto forma di radiazione a onde corte a lunghezze d'onda principalmente ultraviolette e visibili. La Terra è molto più fresca, quindi emette calore sotto forma di radiazione infrarossa, che ha lunghezze d'onda maggiori.
L'anidride carbonica e altri gas che intrappolano il calore hanno strutture molecolari che consentono loro di assorbire la radiazione infrarossa. I legami tra gli atomi in una molecola possono vibrare in modi particolari, come il tono di una corda di pianoforte. Quando l'energia di un fotone corrisponde alla frequenza della molecola, viene assorbito e la sua energia si trasferisce alla molecola.
L'anidride carbonica e altri gas che intrappolano il calore hanno tre o più atomi e frequenze che corrispondono alla radiazione infrarossa emessa dalla Terra. Ossigeno e azoto, con solo due atomi nelle loro molecole, non assorbono le radiazioni infrarosse.
La maggior parte delle radiazioni a onde corte provenienti dal sole passa attraverso l'atmosfera senza essere assorbita. Ma la maggior parte della radiazione infrarossa in uscita viene assorbita dai gas che intrappolano il calore nell'atmosfera. Quindi possono rilasciare, o ri-irradiare, quel calore. Alcuni ritorni sulla superficie terrestre, mantenendolo più caldo di quanto sarebbe altrimenti.
Lo spettro elettromagnetico è la gamma di tutti i tipi di radiazione EM - energia che viaggia e si diffonde mentre scorre. Il sole è molto più caldo della Terra, quindi emette radiazioni a un livello energetico più elevato, che ha una lunghezza d'onda più corta. Credito:NASA
Ricerca sulla trasmissione del calore
Durante la Guerra Fredda, l'assorbimento della radiazione infrarossa da parte di molti gas diversi è stato ampiamente studiato. Il lavoro è stato condotto dalla US Air Force, che stava sviluppando missili a ricerca di calore e aveva bisogno di capire come rilevare il calore che passa attraverso l'aria.
Questa ricerca ha permesso agli scienziati di comprendere il clima e la composizione atmosferica di tutti i pianeti del sistema solare osservando le loro firme a infrarossi. Per esempio, Venere è a circa 870 F (470 C) perché la sua atmosfera densa contiene il 96,5% di anidride carbonica.
Ha inoltre informato le previsioni del tempo e i modelli climatici, consentendo loro di quantificare la quantità di radiazione infrarossa trattenuta nell'atmosfera e restituita alla superficie terrestre.
La gente a volte mi chiede perché l'anidride carbonica è importante per il clima, dato che il vapore acqueo assorbe più radiazioni infrarosse e i due gas assorbono a diverse lunghezze d'onda uguali. Il motivo è che l'atmosfera superiore della Terra controlla la radiazione che fugge nello spazio. L'atmosfera superiore è molto meno densa e contiene molto meno vapore acqueo che vicino al suolo, il che significa che l'aggiunta di più anidride carbonica influenza in modo significativo la quantità di radiazioni infrarosse che fuoriescono nello spazio.
La Terra riceve energia solare dal sole (giallo), e restituisce energia allo spazio riflettendo una parte della luce in arrivo e irradiando calore (rosso). I gas serra intrappolano parte di quel calore e lo restituiscono alla superficie del pianeta. Credito:NASA tramite Wikimedia
Osservare l'effetto serra
Hai mai notato che i deserti sono spesso più freddi di notte delle foreste, anche se le loro temperature medie sono le stesse? Senza molto vapore acqueo nell'atmosfera sopra i deserti, la radiazione che emettono fugge prontamente nello spazio. Nelle regioni più umide la radiazione dalla superficie è intrappolata dal vapore acqueo nell'aria. Allo stesso modo, le notti nuvolose tendono ad essere più calde delle notti serene perché è presente più vapore acqueo.
L'influenza dell'anidride carbonica può essere vista nei cambiamenti climatici del passato. Le carote di ghiaccio degli ultimi milioni di anni hanno mostrato che le concentrazioni di anidride carbonica erano alte durante i periodi caldi, circa lo 0,028%. Durante le ere glaciali, quando la Terra era di circa 7-13 F (4-7 C) più fredda rispetto al 20 ° secolo, l'anidride carbonica costituiva solo lo 0,018% circa dell'atmosfera.
Anche se il vapore acqueo è più importante per l'effetto serra naturale, i cambiamenti nell'anidride carbonica hanno guidato i cambiamenti di temperatura del passato. In contrasto, i livelli di vapore acqueo nell'atmosfera rispondono alla temperatura. Mentre la Terra diventa più calda, la sua atmosfera può contenere più vapore acqueo, che amplifica il riscaldamento iniziale in un processo chiamato "feedback del vapore acqueo". Le variazioni nell'anidride carbonica sono state quindi l'influenza di controllo sui cambiamenti climatici passati.
Piccolo cambiamento, grandi effetti
Non dovrebbe sorprendere che una piccola quantità di anidride carbonica nell'atmosfera possa avere un grande effetto. Prendiamo pillole che sono una piccola frazione della nostra massa corporea e ci aspettiamo che ci influenzino.
Oggi il livello di anidride carbonica è più alto che in qualsiasi momento della storia umana. Gli scienziati concordano ampiamente sul fatto che la temperatura media della superficie terrestre è già aumentata di circa 2 F (1 C) dal 1880, e che gli aumenti causati dall'uomo nell'anidride carbonica e altri gas che intrappolano il calore sono estremamente probabili essere responsabili.
Senza azioni di controllo delle emissioni, l'anidride carbonica potrebbe raggiungere lo 0,1% dell'atmosfera entro il 2100, più del triplo del livello prima della Rivoluzione Industriale. Questo sarebbe un cambiamento più veloce delle transizioni nel passato della Terra che ha avuto enormi conseguenze. Senza azione, questo piccolo frammento di atmosfera causerà grossi problemi.
Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale. 
