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ACCENNI DI SPETTROSCOPIA INFRAROSSA

Molte volte per capire le complesse dinamiche atmosferiche bisogna prima capire i singoli processi che le generano, per questo oggi parlerò di come funziona la radiazione solare e terrestre, in particolar modo quella infrarossa.
Sappiamo gia che un corpo che si trova al di sopra di 0 gradi Kelvin (-273,15°C) emette fotoni con una certa energia o lunghezza d’onda, un corpo molto freddo emetterà onde radio, mentre diventando più caldo emetterà microonde, infrarossi ( lunghezza d’onda da 1mm a 700nm), poi riscaldandolo sempre di più emetterà luce visibile, ultravioletto, raggi X e raggi gamma. Man mano che un corpo si scalda la radiazione che emette avrà una lunghezza d’onda sempre minore, cioè una energia dei fotoni emessa più alta, per questo un fotone emesso con lunghezza d’onda a 400nm sarà più “energico” di uno emesso a 1 mm in accordo con la legge di Wien.
Ogni atomo o molecola dell’universo conosciuto è in grado di assorbire ed emettere almeno fino alla lunghezza d’onda dell’infrarosso, mentre a seconda delle proprietà delle molecole e dei legami che le legano e della temperatura, solo alcuni materiali possono assorbire ed emettere le lunghezze d’onda che vanno dalla luce visibile ai raggi gamma (esempio ozono O3) In particolar modo l’assorbimento dell’infrarosso si basa su due parametri:
Frequenza:il numero di bande, ossia delle lunghezze d’onda sempre all’interno dello spettro dell’infrarosso, dipendono da massa molecolare ( maggiore è la massa più bande vengono assorbite) e natura dei legami atomici ( più una molecola è poliatomica più bande sarà in grado di assorbire)
Intensità: controllata da un unico fattore cioè il Momento Dipolare ( maggiore è il momento maggiore è l’intensità dell’assorbimento)

IL SISTEMA TERRA-SOLE

Approssimando il fatto che la Terra produce (per decadimento radioattivo di alcune rocce) una quantità di energia insufficiente, possiamo affermare che l’attuale temperatura media del pianeta di 288 K cioè 15°C è dovuta quasi interamente al Sole. La superficie solare ha una temperatura media di quasi 6000°C il che basta per permettere al sole di emettere radiazione elettromagnetica in tutte le lunghezze d’onda, dalle onde radio ai raggi gamma, mentre la temperatura del nostro pianeta ci permette di emettere solamente fino all’infrarosso, perché per emettere luce visibile bisogna raggiungere temperature di diverse centinaia di gradi a seconda dei materiali. L’interfaccia che separa il suolo terrestre dallo spazio e dalla radiazione solare è ovviamente l’atmosfera che nei confronti dello spettro solare ha due caratteristiche:
1) Poiché si trova allo stato gassoso non riesce ad assorbire lo spettro della luce visibile, ne raggi UV, X e Gamma a meno che non si parli di molecole particolari come l’ozono O3 il quale ha una conformazione che gli consente di assorbire raggi UV.
2) Riesce ad assorbire l’infrarosso che riceve dalle due fonti: Sole e Terra, ma proprio perché si trova allo stato gassoso non riesce ad aumentare la propria temperatura assorbendo questo infrarosso.
Infatti Niels Bohr gia nel 1913 aveva scoperto che una molecola allo stato gassoso assorbe e riemette infrarosso in uguali quantità in accordo con la legge di Stefan-Boltzmann e con la legge di conservazione dell’energia, ma non riesce a convertirla in energia termica e quindi in calore. Semplicemente quello che accade è che una molecola allo stato gassoso assorbe fotoni con una certa energia che corrisponde ad una banda dell’infrarosso e fa passare un suo elettrone da uno stato di riposo a uno stato eccitato. Continua ad assorbire fotoni finchè tutti gli elettroni sono eccitati, dopodiché non riesce più ad assorbire fotoni finchè gli elettroni non tornano al loro stato di riposo e vengono emessi tanti fotoni quanti ne erano stati assorbiti in tutte le direzioni in modo casuale e nella stessa banda, cioè con la stessa energia( il tutto avviene ovviamente alla velocità della luce) Tutto questo è facilmente verificabile ad esempio quando acquistiamo una stufa ad ! infrarossi, la prima cosa che ci viene detta è che la stufa non scalda l’aria ma bensì gli oggetti solidi, i quali a causa delle loro caratteristiche oltre ad assorbire la radiazione infrarossa come tutti gli oggetti, la convertono in energia termica a differenza dei gas e quindi in movimento molecolare, il quale sappiamo bene che può essere trasmesso anche da un solido a un gas e quindi causare il riscaldamento dell’aria ( per conduzione) ed è cosi che la nostra atmosfera trova l’energia per mantenersi allo stato gassoso, sottraendo per conduzione unicamente energia al suolo e ai mari.

SISTEMA ATMOSFERA-SUOLO

Quindi gia possiamo intuire la differenza tra un pianeta con e un pianeta senza atmosfera, quello con l’atmosfera deve cedere una buona parte della propria energia all’atmosfera per mantenerla allo stato gassoso, mentre quello senza non spreca nemmeno una radiazione che riceve e quindi avrà T superficiale media superiore a quella del pianeta con atmosfera. Tuttavia nel vuoto dello spazio la Terra non può perdere la propria energia per conduzione ma solo per irraggiamento di onde radio,microonde e infrarosso. In questo caso il pianeta con atmosfera avrà un arma in più, i gas che compongono l’atmosfera hanno assorbito infrarossi e li riemettono in tutte le direzioni, anche verso il suolo, cercando di contenere il raffreddamento del pianeta. Per riassumere il pianeta immaginario con l’atmosfera riceve la stessa energia del pianeta senza atmosfera, ma poiché deve riscaldare più roba (atmosfera) ha una temperatura media inferiore del pianeta senza atmosfera che però viceversa non ha ostacoli nel raffreddamento e quindi si raffredda molto prima. In sostanza il primo pianeta ha una T più fredda del secondo ma con meno escursione termica sempre del secondo. Migliorare l’assorbimento dell’infrarosso da parte dell’atmosfera non fa altro che ridurre la radiazione infrarossa che giunge al suolo.

OBIEZIONI CHE SI POSSO FARE E RISPOSTE

Quella descritta sopra è una visione semplicistica di come vanno le cose, quindi si possono fare delle obiezioni ad esempio:

Obiezione 1) Se fosse vero che un gas non riesce a scaldarsi assorbendo infrarosso com’è possibile che nello spazio esistano le nebulose cioè ammassi gassosi che si mantengono allo stato gassoso pur avendo come fonte di energia solamente l’infrarosso che ricevono dalle stelle lontane?

Risposta: le nebulose sono amassi di gas e polveri quindi in parte sono anche solide, in più essendo ammassi, significa che la vicinanza delle molecole gassose consente urti tra molecole sufficienti per raggiungere temperature tali da mantenere i gas al loro stato.

Obiezione 2) Se fosse vero quello scritto sopra allora la Luna che riceve in proporzione la stessa quantità di onde elettromagnetiche della Terra dal Sole dovrebbe avere una temperatura superiore, anche in virtù del fatto che ha un albedo minore della Terra e invece passa dai 120°C di giorno ai -150°C di notte con una temperatura media sotto lo 0.

Risposta: I modelli che si basano sulla legge di Kirchoff e legge di Stefan-Boltzmann prevedono temperature superficiali più fredde di 40°C sulla Luna rispetto alla realtà e di 33°C sulla Terra, perché calcolano una remissione immediata del calore assorbito da parte dei due corpi, e invece non tengono conto del fatto che qualunque corpo trattiene il calore per un certo periodo di tempo prima di cederlo.

Obiezione 3) Siccome la Terra emette solo infrarosso,migliorare l’assorbimento dell’infrarosso causa un aumento della temperatura superficiale perché la radiazione infrarossa uscente dal suolo terrestre è maggiore di quella che arriva dal sole (circa il 45% del totale della radiazione solare) perché il resto delle radiazioni devono prima essere convertite in infrarosso per uscire dalla Terra.

Risposta: l’obiezione è in parte giusta e in parte no, ossia è vero che la Terra emette più IR di quanto ne riceve dal sole, perché il resto della radiazione solare è convertita dalla Terra prima in calore e poi in infrarosso, ma c’è un parametro che non viene considerato ossia il tempo. Si può approssimare che la Terra venga riscaldata dal sole per 12 ore in cui raggiunge una temperatura media di circa 15°C ( 288 K ) e che si raffreddi per altrettante ore, durante le quali però non raggiunge affatto temperature prossime a 0 K (-273,15°C) come ci aspetteremmo se è vero che la radiazione assorbita è uguale a quella emessa, e allora perché se riceve abbastanza energia per passare da 0 a 288 K non ne emette altrettanta da passare da 288K a 0K ma solamente da 288 a 278K ( ad esempio)? Questo avviene anche sulla Luna dove non c’è atmosfera e dove la temperatura passa dai 120°C di giorno a -150°C di notte, quindi il fenomeno non può essere attribuito solo al! l’atmosfera ma al fatto che la radiazione viene appunto convertita in calore quando arriva al suolo e trattenuta, pertanto, se il periodo di irraggiamento è uguale a quello di raffreddamento, come nel caso di tutti pianeti del sistema solare, ci vorrà sempre meno tempo per riscaldare che per raffreddare il pianeta. Un esperimento interessante che può confermare questo è stato proposto da Alan Siddons:

http://hockeyschtick.blogspot.com/2010/06/why-conventional-greenhouse-theory.html

Quindi la Terra emette più IR di quanta ne riceve ma in un tempo più lungo, nell’arco di tempo di 24 ore, 12 di raffreddamento e 12 di riscaldamento, l’infrarosso emesso è sempre inferiore a quello assorbito. La conseguenza è palese, migliorare l’assorbimento di infrarosso nell’atmosfera ha l’effetto di rimandare più IR possibili verso il suolo e quindi riscaldamento del suolo, ma dall’altra una riemissione di IR verso lo spazio molto più intensa perché molto più intensa è la radiazione infrarossa che arriva dalla sorgente sole.

Gerrard 8

Il Global dimming e il Global brightening hanno effetti sul clima?

Prove recenti suggeriscono che la radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre non è mai stata costante nel tempo, ma ha subito sostanziali variazioni su scale temporali decennali. Le osservazioni disponibili indicano una diminuzione generalizzata della radiazione solare tra il 1950 e 1980 (comunemente denominato “global dimming”- “oscuramento globale”), mentre più recentemente, c’è stato il fenomeno inverso(”brightening”, luminosità) .

Il ruolo della radiazione solare nel cambiamento climatico (“global dimming” and “global brightening”)

Uno speciale volume del “Journal of Geophysical Research” ha revisionato il tema della ricerca sul “global dimming” e “global brightening”in oltre 20 articoli. Questi fenomeni, che si suppone siano dovuti all’azione dell’uomo, controllano la radiazione solare incidente sulla superficie terrestre e quindi l’influenza del clima. Nubi ed aerosol influenzano la radiazione solare sulla superficie terrestre, e quindi il clima.

Nubi e aerosol influenza della radiazione solare sulla superficie terrestre, e quindi il clima. (Foto: flickr / Schrottie)

Degli speciali strumenti hanno registrato la radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre dal 1923. Tuttavia, è solo dal 1957/58 che una rete globale di misurazione ha iniziato a prendere forma. I dati così ottenuti mostrano che l’energia fornita dal sole alla superficie terrestre ha subito variazioni notevoli nel corso degli ultimi decenni, con impatti sul clima. Una ricerca condotta all’ ETH di Zurigo ha investigato quali siano i fattori capaci di ridurre o intensificare la radiazione solare e quindi causare il “global dimming” o il “global brightening”.

L’American Geophysical Union (AGU) ha pubblicato un volume speciale sul tema, che presenta lo stato attuale delle conoscenze in dettaglio e fornisce un contributo notevole alla scienza del clima.

“Solo ora, soprattutto con l’aiuto di questo volume, la ricerca in questo campo dovrebbe davvero decollare”, sottolinea Martin Wild, direttore presso l’Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima del Politecnico federale di Zurigo, che è anche uno specialista in materia.

I risultati iniziali, che hanno rivelato che la radiazione solare sulla superficie terrestre non è costante nel tempo, ma piuttosto varia notevolmente nel corso dei decenni, sono stati pubblicati alla fine degli anni ’80 ei primi anni ’90 per specifiche regioni della Terra. Atsumu Ohmura, professore emerito presso l’ETH di Zurigo, per esempio, ha scoperto che la quantità di radiazione solare in Europa è diminuita considerevolmente tra il 1950 e il 1980. Ma è solo dal 1998 che è stato condotto il primo studio a livello mondiale con aree più grandi quindi, tipo Africa, Asia, Nord America ed Europa, per esempio. I risultati hanno mostrato che in media la superficie di radiazione solare è diminuita del due per cento per decennio tra il 1950 e il 1980. Nell’analizzare i dati più recenti, tuttavia, Wild e il suo team hanno scoperto che la radiazione solare è andata progressivamente aumentando di nuovo dal 1985. In un articolo pubblicato su “Science” nel 2005, essi hanno coniato la frase “Global brightening” per descrivere questa nuova tendenza, opposta al termine precentemente usato “Global dimming”. Solo di recente, un articolo comparso sulla rivista “Nature”, in cui ha partecipato lo stesso Wild, ha portato attenzione maggiore al tema del global dimming /brightening.

L’Inquinamento atmosferico favorisce la fotosintesi

In questo studio, per la prima volta, gli scienziati hanno esaminato il legame tra global dimming/brightening e il ciclo del carbonio. Essi hanno dimostrato che più luce dispersa è presente durante i periodi di global dimming a causa della maggiore concentrazione di aerosol e di nuvole, la quale consente poi alle piante di assorbire CO 2 in modo più efficiente rispetto a quando l’aria è più pulita e quindi più chiara. Secondo gli scienziati, questo è dovuto al fatto che la luce diffusa (riflessa) penetra più in profondità all’interno della vegetazione di quanto non faccia la luce diretta del sole, il che significa che le piante possono utilizzare la luce in modo più efficace per la fotosintesi. Di conseguenza, c’è stato circa il 10 per cento in più di carbonio immagazzinato nella biosfera terrestre tra il 1960 e il 1999 (global dimming).

Molte questioni sono comunque ancora aperte. Infatti non è ancora chiaro se siano gli aerosol o le nubi a causare il global dimming/brightening, o magari un interazione dei 2 fattori. L’inchiesta su questi eventuai rapporti è complicata dal fatto che ci sono dati insufficienti sui cambiamenti di aerosol e nubi negli ultimi decenni. Tuttavia dei specifici satelliti recentemente lanciati in orbita dovrebbero contribuire a colmare questa lacuna.

“C’è ancora un enorme quantità di ricerche da fare, e molte questioni sono ancora aperte”, spiega Wild. Questo comprende l’entità del fenomeno del global dimming e brightening e in che modo gli effetti variano notevolmente tra zone urbane e rurali, dove meno aerosol vengono rilasciati in atmosfera. Un’altra questione irrisolta è ciò che accade sopra gli oceani, infatti quasi tutti i dati di misura non sono disponibili per queste zone. Un’ulteriore sfida per i ricercatori è quello di incorporare gli effetti del global dimming /brightening in modo più efficace nei modelli climatici, per capire meglio il loro impatto sul cambiamento climatico. Dopo tutto, slcuni studi indicano che il global dimming ha mascherato l’aumento della temperatura effettiva – e quindi il cambiamento climatico – fino agli anni 1980. Inoltre, gli studi pubblicati mostrano anche che i modelli utilizzati dall’ IPCC, non riproducono il global dimming/brightening in modo adeguato: quindi, né il global dimming, né la successiva fase di brightening è realisticamente simulato dai modelli. Secondo gli scienziati, questo è probabilmente dovuto al fatto che i processi che causano il global dimming/brightening non sono stati presi in considerazione in modo adeguato e che i dati sulle emissioni antropiche utilizzati come input del modello sono affetti da notevoli incertezze.

“Questo è il motivo per cui all’ETH di Zurigo stiamo lavorando con una versione di ricerca per un nuovo modello climatico globale, che contiene i dati degli aerosol molto più dettagliati e microfisica delle nubi, in grado così di riprodurre il global dimming/brightening in modo più efficace”, dice Wild.

Fonte articolo: http://wattsupwiththat.com/2009/08/30/global-dimming-and-brightening-in-the-context-of-solar-radiation/

Per saperne di più sul tema trattato: http://www.agu.org/journals/jd/special_sections.shtml?collectionCode=DIMBRIGHT1&journalCode=JD

UPDATE: Non perdetevi oggi pomeriggio l’articolo sull’ennesima mission impossible del centro catanese…

Piccole fluttuazioni dell'attività solare causano una grande influenza sul clima!

La frequenza delle macchie solari ha un’influenza inaspettatamente forte sulla formazione di nubi e precipitazioni.

Il nostro sole non irradia uniformemente. L’esempio più noto delle fluttuazioni della radiazione solare è il famoso ciclo di 11 anni delle macchie solari. Nessuno nega la sua influenza sulla variabilità naturale del clima, ma i modelli climatici, di prima mano, non sono stati sufficienti a ricostruire il suo impatto sulle attività del clima.

Ma alcuni Ricercatori provenienti dagli Stati Uniti e dalla Germania hanno recentemente, per la prima volta, simulato con successo e nel dettaglio, la complessa interazione tra la radiazione solare, l’atmosfera e l’oceano. Come infatti riporta la rivista “SCIENCE” nella sua ultima uscita, Gerald Meehl della US-National Center for Atmospheric Research (NCAR) e il suo team sono stati in grado di calcolare quanto le variazioni estremamente piccole di radiazioni solari determina un cambiamento relativamente significativo nel sistema ” atmosfera-oceano “.

Katja Matthes del GFZ (Centro di Ricerca Tedesco per le Geosciences), co-autrice dello studio, afferma: “Tenendo in considerazione l’intera gamma delle radiazioni del sole, l’intensità della radiazione all’interno di un ciclo solare di 11 anni, varia solo di circa lo 0,1 per cento. Tuttavia complessi meccanismi collegati tra loro nella stratosfera e nella troposfera, creano cambiamenti misurabili nella temperatura delle acque del Pacifico e nelle precipitazioni “.

All’interno di tale sistema hanno luogo molti e piccoli fattori che poi si intrecciano. Il processo iniziale procede dall’alto verso il basso: una maggiore radiazione solare infatti porta ad una maggiore concentrazione di ozono e a temperature più elevate nella stratosfera.

“La quota di radiazione ultravioletta varia in misura molto maggiore rispetto alle altre parti dello spettro e cioè dal cinque all’otto per cento, e ciò forma più ozono”, spiega Katja Matthes. Come risultato, si ha soprattutto che la stratosfera tropicale diventa più calda, e questo a sua volta porta a modificare la circolazione atmosferica. Così, il tipico pattern delle precipitazioni tropicali varierà.”

Il secondo processo (dal basso verso l’alto) si svolge nel modo opposto: l’attività solare più elevata porta ad una maggiore evaporazione nell’area libera da nuvole. Gli alisei trasportano un gran volume di umidità verso l’equatore, dove causano forti precipitazioni, basse temperature nell’Oceano Pacifico orientale e minore formazione di nubi, che a sua volta permette di aumentare l’evaporazione.

Continua Matthes Katja: “E ‘ proprio questo accoppiamento positivo che rafforza il processo”. Con questo collegamento tra radiazioni del sole e clima, è possibile spiegare le rispettive misurazioni e osservazioni sulla superficie della Terra.

Il professor Reinhard Huettl, presidente del Comitato scientifico esecutivo della GFZ , aggiunge: “Lo studio è importante per comprendere la naturale variabilità climatica, che – in tempi diversi – è significativamente influenzata dal sole. Al fine di comprendere meglio i cambiamenti climatici di origine antropica e per rendere più affidabile gli scenari climatici futuri, è molto importante capire la base naturale della variabilità climatica. Questa indagine dimostra ancora una volta che dobbiamo ancora lavorare molto per comprendere il sistema climatico “.

Insieme con la Alfred Wegener-Institute for Polar and Marine Research e il Senckenberg Research Institute del GFZ è stato infatti organizzato un convegno intitolato “Il clima nel Sistema Terra”, previst0 per il 2 /3 Novembre 2009 a Berlino.

Fonte: http://wattsupwiththat.com/2009/08/27/ncar-spots-the-transistor-effect-small-solar-activity-fluctuations-amplify-to-larger-climate-influences/

SIMON