di Ivan Spelti

Come viene generata la luce solare

Il Sole non ha una superficie nettamente definita come la Terra, poiché, data la sua altissima temperatura, non è altro che plasma. Quella che ci appare come la sua superficie è uno strato, la fotosfera (sfera di luce), che emette luce (irradia) a causa della sua alta temperatura.

Tutte le sostanze calde irradiano luce, o nel visibile o al di là dello spettro dell’arcobaleno, nella zona dell’ infrarosso (IR, infrared, al di sotto del rosso) e nella zona dell’ ultravioletto (UV, al di sopra del violetto).

Più è caldo l’oggetto, più brillante è la sua emissione, e più si allontana dal rosso il suo colore. Di conseguenza, il colore di un oggetto caldo (se è denso) ci dice quanto è caldo. Nel caso del Sole, la sua fotosfera è alla temperatura di circa 5.500 °C.

Come si riscalda la Terra

La luce del Sole trasporta energia, ed è questa energia che riscalda la Terra e costituisce la forza che causa i fenomeni climatici e meteorologici. Quando la superficie terrestre si riscalda, essa comincia a irradiare, ma, essendo la sua temperatura talmente bassa anche per un colore rosso scuro, la sua radiazione è nella zona dell’infrarosso. Anche una pentola bollente o un ferro da stiro emettono radiazione infrarossa, tanto che questa radiazione (come calore) può essere percepita anche con la mano.

Poiché il suolo non è assolutamente caldo come il Sole, la sua emissione è molto più debole. Tuttavia, in ogni punto il suolo invia della radiazione in tutte le direzioni della metà del cielo visibile, mentre riceve la radiazione soltanto dal piccolo disco solare che copre nel cielo un cerchietto di mezzo grado di diametro. Per questo motivo, l’energia totale che ogni area riceve deve essere uguale all’energia totale che ritorna nello spazio.

In realtà la superficie terrestre viene riscaldata solo di giorno, mentre irradia sia di giorno che di notte. Pertanto, le notti, quando l’energia viene soltanto irradiata ma non ne arriva praticamente alcuna, sono più fredde del giorno.

“L’effetto serra”

Il flusso di calore effettivo è complicato dalla presenza dell’atmosfera, che ha tre forti effetti:
•Le nuvole nell’atmosfera riflettono una parte della luce solare prima che questa raggiunga il suolo, in tal modo riducendo il riscaldamento della superficie terrestre.
•L’atmosfera assorbe la radiazione infrarossa (IR) emessa dal suolo e così rallenta la dispersione del calore verso lo spazio esterno, mantenendo il suolo più caldo di quanto non sarebbe altrimenti.
•Le masse di aria si muovono e così trasportano il calore da un posto a un altro. È questo che produce i fenomeni meteorologici.

Gli strati dell’atmosfera terrestre

Il secondo processo (che è quello che ci mantiene caldi) è più marcato del primo (che riduce il riscaldamento), per cui l’effetto globale è che (come una coperta ) la nostra atmosfera aiuta a mantenere la Terra più calda di quanto non sarebbe altrimenti. Questo effetto è chiamato “effetto serra”. Proprio come una serra, che è racchiusa e coperta da pareti di vetro o di plastica che permettono alla luce solare di entrare, ed assorbe la radiazione IR riemessa dal suolo, mantenendola  in tal modo calda.

I maggiori ostacoli che assorbono la radiazione IR nell’atmosfera non sono l’azoto e l’ossigeno, che pure sono i principali costituenti dell’aria, ma piuttosto un insieme minoritario di “gas di serra” come il vapore acqueo (H2O), l’anidride carbonica (CO2) e il metano (CH4), fortemente assorbenti gli infrarossi

Un’altra molecola, responsabile di un importante effetto, anche se ne è presente una piccolissima quantità, è l’ozono, una variante della molecola dell’ossigeno. Viene prodotta ad alta quota dall’azione della luce solare sull’ossigeno ordinario e la sua massima concentrazione si trova a circa 25 chilometri di altezza. È anche questo un gas serra, ma più importante, poiché assorbe la luce ultravioletta (UV) del Sole, che potrebbe causare bruciature e tumori sulla pelle e danneggiare gli occhi.


Il bilancio energetico dell’interazione Sole-Terra

L’ozono ad alta quota viene distrutto dalla presenza del cloro, e recentemente è stata prestata molta attenzione a questa sua distruzione da parte del cloro prodotto dalla dispersione di gas refrigeranti, del tipo usato fino a poco tempo fa nei frigoriferi, nei condizionatori d’aria, nelle bombolette di aerosol e anche in applicazioni industriali. Questi gas sono estremamente stabili, e possono restare nell’atmosfera anche per molti anni. Purtroppo, prima o poi, le loro molecole arrivano nella stratosfera, dove la radiazione ultravioletta del Sole è in grado di spezzare le loro molecole e liberare il cloro. A causa del danno prodotto da questi gas sullo strato di ozono, ne è stato recentemente proibito l’uso.

L’effetto serra aiuta a mantenere la Terra a una temperatura confortevole per la vita, ma è una situazione con un equilibrio molto delicato. Nell’ultimo mezzo secolo, l’uso di combustibili fossili (carbone e petrolio) hanno aumentato il contenuto di CO2 nell’atmosfera. La temperatura  media della Terra è anche cresciuta e il fenomeno è attribuibile  all’aumento di CO2.

La meteorologia

La radiazione solare in arrivo interagisce diversamente con la superficie terrestre

Assorbendo gli infrarossi (oltre al fatto di essere in contatto con il suolo caldo) l’aria si riscalda. L’aria calda quindi si espande e ciascun metro cubo di essa viene a pesare di meno rispetto a quanto pesava prima del riscaldamento. Quando questo riscaldamento è più pronunciato, l’aria calda, meno densa, “galleggia” e viene spinta verso l’alto rispetto all’aria più fredda circostante: gli uccelli e i piloti di alianti cercano tali “correnti termiche” e si fanno trasportare da esse. Questo “galleggiamento” è alla base dei fenomeni meteorologici.

Un uragano visto dallo spazio.

L’aria che sale si espande, e l’espansione di un gas ne causa il raffreddamento, e per questo motivo in cima alle montagne fa più freddo.
La luce del Sole fa anche evaporare l’acqua, dagli oceani, dai laghi, dai fiumi e dalla vegetazione. Viene usata energia per convertire l’acqua liquida in vapore, e pertanto l’aria umida ha più energia immagazzinata di quanta ne abbia l’aria secca.
La capacità dell’aria di trattenere il vapore acqueo dipende fortemente dalla temperatura, ed è minore per l’aria fredda (proprio come lo zucchero si scioglie più difficilmente nell’acqua fredda). Quando l’aria calda e umida sale in quota, si espande e si raffredda, e, poiché quindi non riesce più a trattenere la stessa quantità di acqua rispetto a prima, l’acqua in eccesso viene espulsa: inizialmente in minuscole goccioline che formano le nuvole, e poi, se il raffreddamento è più drastico, in gocce di pioggia.