Effetto serra: che cos'è, come funziona e perché sta aumentando

Per capire cos’è l’effetto serra occorre considerare l’atmosfera come parte del sistema attraverso cui la Terra scambia energia con lo spazio. Il fenomeno descrive il contributo di alcuni gas atmosferici al mantenimento della temperatura terrestre, attraverso la loro interazione con l’energia emessa dalla superficie. 

L’espressione richiama il funzionamento di una serra, ma l’analogia non è perfetta: una serra agricola si riscalda soprattutto perché limita lo scambio di aria con l’esterno. Nell’atmosfera terrestre il fenomeno dipende, invece, principalmente dall’interazione tra radiazione infrarossa e gas serra. 

L’effetto serra, inoltre, non riguarda esclusivamente la Terra. È un fenomeno fisico che può verificarsi in presenza di un’atmosfera capace di assorbire la radiazione termica. Su Venere, ad esempio, la densa atmosfera ricca di CO₂ produce un effetto serra estremamente intenso. Su Marte, dove l’atmosfera è molto più rarefatta, l’effetto è invece debole.

Il funzionamento dell’effetto serra può essere descritto attraverso alcuni passaggi fondamentali:

• la radiazione solare, prevalentemente a lunghezze d’onda corte, attraversa in parte l’atmosfera e raggiunge la superficie terrestre
• mari, suolo e continenti assorbono una parte di questa energia e si riscaldano
• la superficie restituisce energia verso l’alto sotto forma di radiazione infrarossa, a lunghezze d’onda maggiori
• i gas serra presenti nell’atmosfera assorbono parte di questa radiazione e la riemettono in diverse direzioni
• una parte dell’energia viene quindi restituita verso la superficie e gli strati inferiori dell’atmosfera, contribuendo a mantenerli più caldi di quanto sarebbero in assenza di questi gas.

I gas serra, quindi, non agiscono come uno specchio e non impediscono ai raggi solari di entrare: il meccanismo dipende dall’assorbimento e dalla riemissione della radiazione infrarossa.

L’effetto serra può essere distinto in naturale e antropico in base all’origine dei gas che ne influenzano l’intensità:

• nel primo caso dipende dai processi naturali del sistema terrestre
• nel secondo dall’aumento delle concentrazioni di gas serra dovuto alle attività umane.

L’effetto serra naturale è indispensabile per mantenere condizioni climatiche compatibili con la vita. Senza il contributo dell’atmosfera, la temperatura media della superficie terrestre sarebbe di circa -18 °C; grazie all’effetto serra naturale si colloca invece intorno ai +15 °C, con una differenza di circa 33 °C. 

A produrre questo effetto contribuiscono naturalmente diversi gas presenti nell’atmosfera, tra cui vapore acqueo, anidride carbonica, metano, protossido di azoto e ozono.

L’effetto serra antropico è l’aumento dell’intensità del fenomeno determinato dall’accumulo nell’atmosfera di gas serra legato alle attività umane. Una maggiore concentrazione di questi gas modifica il bilancio energetico del sistema climatico. 

Per comprenderne l’evoluzione è utile distinguere tra emissioni e concentrazioni:

• le emissioni indicano la quantità di un gas rilasciata nell’atmosfera in un determinato periodo
• la concentrazione indica invece quanto di quel gas è presente nell’atmosfera. 

I due valori non coincidono perché una parte dei gas emessi viene assorbita da oceani, vegetazione e altri sistemi naturali, mentre un’altra parte si accumula. Nel caso della CO₂, una frazione delle emissioni può permanere nel sistema atmosferico per tempi molto lunghi. Per questo ridurre le emissioni non determina un’immediata diminuzione della concentrazione già accumulata. 

L’IPCC conclude che l’influenza umana sul riscaldamento dell’atmosfera, degli oceani e delle terre emerse è inequivocabile.

I principali gas a effetto serra comprendono:

• anidride carbonica (CO₂), presente naturalmente nell’atmosfera ma la cui concentrazione è aumentata anche per effetto delle attività umane
• metano (CH₄), presente naturalmente ma emesso anche da diverse attività umane
• protossido di azoto (N₂O), presente naturalmente ma prodotto anche da attività umane
• gas fluorurati, composti di origine antropica
• vapore acqueo, fondamentale nel naturale funzionamento dell’effetto serra ma con un ruolo diverso rispetto ai principali gas direttamente aumentati dalle attività umane. 

L’importanza climatica di un gas non dipende soltanto dalla quantità presente nell’atmosfera, ma anche dalle lunghezze d’onda che assorbe e dal tempo di permanenza nel sistema. Questo vale anche per la CO₂: benché rappresenti una piccola frazione dell’atmosfera, variazioni della sua concentrazione possono modificare il bilancio energetico terrestre. 

Per confrontare gas diversi viene utilizzato, tra gli altri indicatori, il Global Warming Potential (GWP), che misura il contributo al riscaldamento di una determinata massa di gas rispetto alla stessa massa di CO₂ su uno specifico intervallo temporale.

Il vapore acqueo merita una distinzione particolare. È un potente gas serra, ma nell’attuale cambiamento climatico agisce principalmente come feedback e non come causa iniziale del riscaldamento.

Quando la temperatura aumenta, cresce l’evaporazione e l’atmosfera può contenere più vapore acqueo. Dal momento che il vapore acqueo assorbe a sua volta radiazione infrarossa, il riscaldamento iniziale può essere ulteriormente amplificato. Se la temperatura diminuisce, avviene il processo opposto.

Le principali cause dell’aumento dell’effetto serra sono le attività che immettono gas serra nell’atmosfera o riducono la capacità degli ecosistemi di assorbirli:

• la combustione di carbone, petrolio e gas naturale per produrre energia, alimentare i trasporti e sostenere diversi processi industriali
• la deforestazione e i cambiamenti nell’uso del suolo, che rilasciano carbonio e possono ridurre la capacità degli ecosistemi di assorbire CO₂
• agricoltura e allevamento, che contribuiscono soprattutto alle emissioni di metano e protossido di azoto
• alcuni processi industriali, che generano CO₂ e gas fluorurati
• la gestione dei rifiuti, in particolare per le emissioni di metano associate alla decomposizione della materia organica. 

La riduzione delle emissioni di CO₂ legate ai combustibili fossili è uno degli elementi centrali della transizione energetica.

Le conseguenze dell’effetto serra diventano problematiche quando l’aumento delle concentrazioni di gas serra altera il bilancio energetico terrestre. Il risultato non consiste soltanto nell’aumento della temperatura media globale, ma coinvolge diverse componenti del sistema climatico. 

Tra gli effetti osservati rientrano:

• riscaldamento dell’atmosfera e della superficie terrestre
• aumento del calore accumulato negli oceani, che assorbono la maggior parte dell’energia in eccesso del sistema climatico
• fusione dei ghiacciai e perdita di massa delle calotte glaciali
• innalzamento del livello medio del mare, dovuto sia alla fusione dei ghiacci continentali sia all’espansione termica dell’acqua
• acidificazione degli oceani, direttamente collegata all’assorbimento della CO₂ di origine antropica
• cambiamenti nella frequenza o nell’intensità di diversi eventi climatici estremi, tra cui ondate di calore e precipitazioni intense. 

Effetto serra, riscaldamento globale e cambiamento climatico sono quindi fenomeni collegati, ma non sinonimi: il primo descrive un meccanismo fisico, il secondo l’aumento della temperatura media del sistema climatico, mentre il cambiamento climatico comprende l’insieme più ampio delle trasformazioni che ne derivano.

L’effetto serra e il buco dell’ozono sono fenomeni differenti, anche se entrambi interessano l’atmosfera. 

Come abbiamo detto, il primo riguarda soprattutto l’assorbimento della radiazione infrarossa da parte di determinati gas e il conseguente bilancio termico del Pianeta. La riduzione dell’ozono stratosferico riguarda invece l’assottigliamento dello strato di ozono che protegge la superficie terrestre da una parte della radiazione ultravioletta proveniente dal Sole. 

Le cause fisiche e chimiche dei due fenomeni sono quindi diverse. Alcune sostanze possono avere un ruolo in entrambi i processi, ma la riduzione dello strato di ozono non è la causa del riscaldamento globale né dell’aumento dell’effetto serra.