Il
bilancio energetico Sole-Terra
rappresenta l'equilibrio tra l'
energia
che la Terra riceve dal
Sole
e l'energia che la Terra irradia nello
spazio esterno
dopo essere stata distribuita in tutti e cinque i componenti del sistema climatico terrestre e aver cosi alimentato il cosiddetto motore termico terrestre.
[2]
Questo sistema e composto da
acqua
della terra,
ghiaccio
,
atmosfera
,
crosta rocciosa
e tutti gli
esseri viventi
.
[3]
La quantificazione delle variazioni di queste quantita e necessaria per modellare accuratamente il clima terrestre.
[4]
Le
radiazioni
assorbite sono distribuite in modo non uniforme sul pianeta, perche il
Sole
riscalda le regioni equatoriali piu delle regioni polari. "L'atmosfera e l'oceano lavorano senza sosta per compensare gli squilibri del riscaldamento solare attraverso l'
evaporazione
dell'acqua di superficie, la
convezione
, le
precipitazioni
, i
venti
e la
circolazione oceanica
".
[5]
La Terra e molto vicina ad essere in
equilibrio radiativo
, la situazione in cui l'energia solare in ingresso e bilanciata da un uguale flusso di calore verso lo spazio; in questa condizione, le temperature globali si mantengono relativamente stabili. A livello globale, nel corso dell'
anno
, il sistema Terra (
terre emerse
,
oceani
e
atmosfera
) assorbe e poi irradia nello spazio una media di circa 340
watt
di energia solare per
metro quadrato
. Qualsiasi cosa che aumenti o diminuisca la quantita di energia in entrata o in uscita modifichera di conseguenza le temperature globali.
[5]
Tuttavia, il bilancio energetico della Terra e i flussi di calore dipendono da molti fattori, come la composizione atmosferica (principalmente aerosol e gas serra), l'
albedo
(riflettivita) della superficie, la copertura nuvolosa, la vegetazione e i diversi tipi di utilizzo del territorio.
Le piu recenti misurazioni mostrano che iI totale delle radiazioni infrarosse in uscita e inferiore al totale delle radiazioni solari entranti. La differenza viene accumulata nel sistema Terra come
energia interna
, causando aumenti di temperatura media della superficie e una progressiva fusione dei ghiacci.
[6]
Le variazioni della temperatura sulla superficie dovute al bilancio energetico della Terra non si verificano istantaneamente, a causa dell'
inerzia
degli oceani e della
criosfera
. Il flusso termico netto viene attenuato soprattutto diventando parte del calore contenuto nell'oceano, fino a quando non si stabilisce un nuovo stato di equilibrio tra le radiazioni e la risposta climatica.
[7]
Nonostante gli enormi trasferimenti di energia da e verso la Terra, essa mantiene una temperatura relativamente costante perche, nel complesso, c'e poco guadagno o perdita netta: La Terra emette nello spazio, attraverso la radiazione atmosferica e terrestre (spostata su lunghezze d'
onda elettromagnetiche
piu lunghe), circa la stessa quantita di energia che riceve attraverso l'insolazione (tutte le forme di radiazione elettromagnetica).
Per quantificare il bilancio termico della Terra, bisogna far si che l'insolazione ricevuta nella parte superiore dell'atmosfera sia di 100 unita (100 unita = circa 1.360 watt per metro quadrato rivolto verso il sole), come mostrato nell
Diagramma di Sankey
. Conosciuto come
albedo
della Terra, circa 35 unita sono riflesse nello spazio: 27 dall'alto delle
nuvole
, 2 dalla
neve
e dalle aree coperte di ghiaccio, e 6 da altre parti dell'atmosfera. Le 65 unita rimanenti sono assorbite: 14 nell'atmosfera e 51 dalla superficie terrestre. Queste 51 unita sono irradiate nello spazio sotto forma di radiazione terrestre: 17 irradiate direttamente nello spazio e 34 assorbite dall'atmosfera (19 attraverso il calore latente di condensazione, 9 per convezione e turbolenza e 6 direttamente assorbite). Le 48 unita assorbite dall'atmosfera (34 unita dalla radiazione terrestre e 14 dall'insolazione) vengono infine irradiate nello spazio. Queste 65 unita (17 dal suolo e 48 dall'atmosfera) bilanciano le 65 unita assorbite dal sole per mantenere a zero il guadagno netto di energia della Terra.
[8]
La quantita totale di energia ricevuta al secondo nella parte superiore dell'
atmosfera terrestre
(TOA,
Top-of-Atmosphere
) e misurata in
watt
ed e data dalla
costante solare
moltiplicata per la
sezione trasversale
della
Terra
. Poiche l'area della superficie di una
sfera
e quattro volte l'area della sua sezione trasversale (cioe l'
area di un cerchio
), il flusso medio TOA e un quarto della costante solare e quindi e di circa
340
W
/
m²
.
[1]
[9]
Poiche l'assorbimento varia a seconda della posizione e delle variazioni
diurne
,
stagionali
e
annuali
, i numeri citati sono medie a lungo termine, tipicamente calcolate da misurazioni satellitari multiple.
[1]
Dei ~
340 W/m²
di radiazione solare ricevuta dalla Terra, una media di ~
77 W/m²
viene riflessa nello spazio dalle nuvole e l'atmosfera e ~
23 W/m²
viene riflessa dall'albedo di superficie, lasciando ~
240 W/m²
di energia solare in ingresso al bilancio energetico della Terra. Questo da alla terra un'albedo netto medio di 0,29.
[1]
Il calore interno della terra e altri piccoli effetti
[
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]
Il flusso di calore geotermico proveniente dall'interno della Terra e stimato in 47
terawatt
[10]
e si ripartisce approssimativamente in parti uguali tra il calore
radiogeno
e il calore residuo della formazione della Terra. Cio equivale a 0,087 watt/m
2
, che rappresenta solo lo 0,027
%
del bilancio energetico totale della Terra in superficie, dominato da 173.000 terawatt di
radiazione solare
in entrata.
[11]
La produzione di energia umana
e ancora piu bassa, stimata in
18
TW
.
La
fotosintesi
ha un effetto maggiore: l'
efficienza fotosintetica
trasforma in
biomassa
fino al 2% della
luce solare
che colpisce le
piante
. Da 100
[12]
a
140 TW
[13]
(circa lo 0,08%) dell'energia iniziale viene catturata dalla fotosintesi, dando energia alle piante.
Altre fonti minori di energia vengono generalmente ignorate in questi calcoli, tra cui l'accumulo di polvere interplanetaria e
vento solare
, la luce di stelle diverse dal Sole e la radiazione termica dallo spazio. In passato,
Joseph Fourier
aveva sostenuto in un documento spesso citato come il primo sull'
effetto serra
, che la radiazione nello spazio profondo era significativa.
[14]
La radiazione a onde lunghe e solitamente definita come
energia infrarossa
in uscita dal pianeta. Tuttavia, inizialmente l'atmosfera assorbe parti o la copertura nuvolosa puo riflettere le radiazioni. Generalmente, l'
energia termica
e trasmessa all'atmosfera dagli strati superficiali del pianeta (terra e oceano), trasportata tramite
evapotraspirazione
e flussi di
calore latente
o processi di
conduzione
/
convezione
.
[1]
In definitiva, l'energia viene irradiata nello spazio sotto forma di radiazione infrarossa a
onde lunghe
.
Recenti osservazioni satellitari indicano precipitazioni aggiuntive, sostenute da un aumento di energia che lascia la superficie attraverso l'evaporazione (il flusso di calore latente), compensando gli aumenti del flusso di onde lunghe in superficie.
[4]
Se il flusso di energia in entrata non e uguale al flusso di energia in uscita, il calore netto viene aggiunto o perso dal pianeta (se il flusso in entrata e rispettivamente piu grande o piu piccolo del flusso in uscita).
Uno squilibrio deve manifestarsi nel riscaldamento o raffreddamento della Terra (a seconda della direzione dello squilibrio), e l'oceano, essendo il piu grande
serbatoio termico
della Terra, e il principale candidato per le misurazioni.
Le misurazioni dello squilibrio energetico della terra fornite dai galleggianti Argo hanno rilevato un accumulo di calore oceanico (OHC). Lo squilibrio stimato e stato misurato durante un
minimo solare
intenso del 2005-2010 di
0,58
±
0,15 W/m²
.
[15]
Questo livello di dettaglio non puo essere dedotto direttamente dalle misurazioni dei flussi di energia superficiale, che hanno combinato una incertezza dell'ordine di
±17 W/m²
.
[16]
Diversi
satelliti
misurano indirettamente l'energia assorbita e irradiata dalla Terra e per deduzione dello squilibrio energetico. Il progetto della
NASA
Earth Radiation Budget Experiment
(ERBE) coinvolge tre di questi satelliti: il satellite
Earth Radiation Budget Satellite
(ERBS), lanciato nell'ottobre 1984; NOAAA-9, lanciato nel dicembre 1984; e NOAAA-10, lanciato nel settembre 1986.
[17]
Oggi gli strumenti satellitari che compongono il progetto
CERES
, parte del sistema
Earth Observing System
della NASA (EOS), sono progettati per misurare sia la radiazione solare riflessa che quella emessa dalla Terra.
[18]
I principali gas
atmosferici
(
ossigeno
e
azoto
) sono trasparenti alla luce solare in entrata, ma sono anche trasparenti alla radiazione termica (infrarossa) in uscita. Tuttavia, il
vapore acqueo
, l'
anidride carbonica
, il
metano
e altri
gas
sono opachi a molte
lunghezze d'onda
della radiazione termica. La superficie terrestre irradia l'equivalente netto del 17% dell'
energia solare
in entrata sotto forma di infrarossi termici. Tuttavia, la quantita che fuoriesce direttamente nello spazio e solo il 12% circa dell'energia solare in entrata. La frazione restante, dal 5 al 6%, viene assorbita dall'atmosfera dalle molecole di gas serra.
[19]
Quando le molecole di gas serra assorbono energia termica infrarossa, la loro temperatura aumenta. Questi gas irradiano quindi una maggiore quantita di energia termica infrarossa in tutte le direzioni. Il calore irradiato verso l'alto continua a incontrare molecole di gas serra; anche queste molecole assorbono il calore, la loro temperatura aumenta e la quantita di calore che irradiano aumenta. L'atmosfera si assottiglia con l'
altitudine
e, a circa 5-6
chilometri
, la concentrazione di
gas serra
nell'atmosfera sovrastante e cosi sottile che il calore puo fuggire nello spazio.
[19]
Poiche le molecole di gas serra irradiano energia infrarossa in tutte le direzioni, alcune di esse si diffondono verso il basso e alla fine ritornano sulla superficie terrestre, dove vengono assorbite. La temperatura della superficie terrestre e quindi superiore a quella che si avrebbe se fosse riscaldata solo con il riscaldamento solare diretto. Questo riscaldamento supplementare e il naturale effetto serra.
[19]
E come se la Terra fosse coperta da una coperta che permette l'ingresso di radiazioni ad alta frequenza (luce solare), ma rallenta la velocita con cui l'energia radiante infrarossa a bassa frequenza emessa dalla Terra fuoriesce.
Un cambiamento nella parte irradiata incidente il bilancio energetico e indicato come
forzante radiativo
.
La sensibilita climatica e il cambiamento di stato costante della temperatura di equilibrio come conseguenza di cambiamenti nel bilancio energetico.
Le forzature climatiche sono cambiamenti che causano l'aumento o la diminuzione delle temperature, alterando il bilancio energetico. Le forzature climatiche naturali includono cambiamenti nella luminosita del Sole, i
cicli di Milankovi?
(piccole variazioni nella forma dell'
orbita terrestre
e del suo asse di rotazione che si verificano nel corso di migliaia di anni) e le
eruzioni vulcaniche
che iniettano particelle che riflettono la luce fino alla
stratosfera
. Le forzature artificiali comprendono l'inquinamento da particelle (
aerosol
) che assorbono e riflettono la luce solare in entrata; la
deforestazione
, che cambia il modo in cui la superficie riflette e assorbe la luce solare; e l'aumento della concentrazione di
anidride carbonica
atmosferica e di altri
gas serra
, che diminuiscono la velocita con cui il calore viene irradiato nello spazio.
Una forzatura puo innescare
retroazioni
che intensificano (retroazione positiva) o indeboliscono (retroazione negativa) la forzatura originale. Ad esempio, la perdita di ghiaccio ai poli, che li rende meno riflettenti, causa un maggiore assorbimento di energia e quindi aumenta la velocita di fusione del ghiaccio, e un esempio di retroazione positiva.
[20]
Lo squilibrio energetico planetario osservato durante il recente
minimo solare
mostra che la forzatura solare del clima, sebbene naturale e significativa, e sopraffatta dalla forzatura antropogenica del clima.
[21]
Nel 2012, gli scienziati della NASA hanno dichiarato che per fermare il
riscaldamento globale
il contenuto di CO
2
nell'atmosfera dovra essere ridotto a 350 ppm o meno, supponendo che tutti gli altri fattori climatici siano stabili. L'impatto degli aerosol
antropogenici
non e stato quantificato, ma si ritiene che i singoli tipi di aerosol abbiano notevoli proprieta di riscaldamento e raffreddamento.
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