Fotovoltaico: vera opportunità? – Aggiornamento
Il lavoro presente ha lo scopo di valutare se vi è o meno convenienza nella moda ormai dilagante di usare i pannelli solari per riscaldare ambienti e/o acqua sanitaria e per produrre energia elettrica. Saranno presi in esame gli aspetti seguenti:
- convenienza economica dell’investimento;
- impatto termico ambientale distinto per il sito di installazione dell’impianto e per l’intero ambiente considerato nella sua globalità;
- confronto con gli omologhi impianti tradizionali a combustione;
- influenza sull’effetto serra;
I risultati ottenuti sono imprevisti, sorprendenti e sollevano interrogativi seri sull’onestà mentale dei sostenitori ad ogni costo di tali impianti. C’è fortissima puzza di imbroglio.
Premessa
Si analizza preliminarmente l’interazione tra un pannello solare ed i flussi radiativi che intervengono nel bilancio termocinetico del sito di installazione. L’argomento presenta una larghissima quantità di dati pubblicati, facilmente reperibili in rete. Viene qui usata una della tante figure che sintetizzano l’argomento, rielaborata per mettere in evidenza le voci di bilancio che ci interessano.
Posta pari a 100 la radiazione solare ISR entrante dal limite superiore dell’atmosfera, solo una frazione raggiunge la superficie terrestre (Is = 52), parte assorbita (Ias = 46), parte riflessa nello spazio (E1 = 6). La radiazione assorbita viene in parte riemessa come radiazione infrarossa (Er = 15) della quale (E2 = 9) è inviata direttamente nello spazio, (Er- E2 = 6) riscalda l’atmosfera come calore sensibile. La parte restante di Ias viene ceduta all’atmosfera come calore sensibile (Es = 7) e come calore latente di evaporazione delle acque superficiali (Ev = 24). Si esprimono nel dettaglio le diverse aliquote in funzione di Is che rappresenta la radiazione captata dai pannelli solari.
- E1, pari al 12% di Is, è riflessa direttamente nello spazio senza che essa riscaldi né la superficie, né l’atmosfera;
- Ias, ossia l’ 88% di Is, riscalda la superficie e viene poi riemessa come:
- E2, che corrisponde al 17% di Is, scambiata direttamente tra la superficie e lo spazio, con l’effetto di raffreddare la superficie senza riscaldare l’atmosfera;
- (Er – E2) ed Es, complessivamente pari al 25% di Is, raffreddano la superficie e riscaldano l’atmosfera contribuendo ad innalzarne la temperatura;
- Ev, corrispondente al 46% di Is, che raffredda la superficie senza riscaldare gli strati bassi dell’atmosfera essendo l’evaporazione un processo a temperatura costante; tale apporto sarà reso successivamente con la condensazione del vapore che andrà a formare le nuvole a quota elevata.
Un pannello solare viene installato per catturare possibilmente tutta la Is, che sarà poi ceduta interamente come calore sensibile all’atmosfera, innalzandone la temperatura, dopo essere stata rielaborata ed utilizzata. Un pannello solare produce nel sito di installazione due effetti:
- l’energia termica immessa nell’atmosfera, pari a Is – (E1 + E2) ossia al 71% di Is in assenza di pannello, passa al 100% di Is ossia al 141% del valore precedente;
- il riscaldamento sensibile dell’atmosfera, che era prima pari a (Er – E2) + Es, corrispondente al 25% di Is, passa al 100% di Is cioè al 400% del valore precedente con la conseguenza che anche l’innalzamento della temperatura atmosferica provocato nel sito (forzatura sensibile) passa al 400% del valore precedente.
L’interferenza di un pannello solare con il sistema terra – atmosfera non è di poco conto. La sua installazione andrebbe giustificata da validi motivi, dopo aver confrontato i loro aspetti negativi per l’ambiente con quelli degli impianti tradizionali omologhi.
Valutazione degli impianti solari termici
L’energia utile producibile con un impianto solare è
Eumax = ηimp·ηpann·Is = 0.8·ηpann·Is
dove ηpann è il rendimento medio annuale dei pannelli, ηimp è il rendimento degli altri componenti dell’impianto che viene assunto pari a 0.8, Is è l’energia solare che incide annualmente sui pannelli. In altri termini un impianto dimensionato per produrre un’energia utile Eumax deve utilizzare un campo solare di pannelli che permettano di intercettare energia radiante almeno pari a
Is = 1.25 · Eumax / ηpann
Gli impianti solari termici cedono sul posto tutta l’energia captata Is, poiché non trasportando energia a distanza, producono, utilizzano e scaricano in loco l’energia utile, che va ad aggiungersi agli scarti di produzione. I pannelli causano un carico termico aggiuntivo per il sito di installazione
INQ_thpann = 0.29 · Is = 0.36 · Eumax / ηpann
oltre a trasformare in sensibile tutto il calore precedentemente ceduto per irraggiamento ed evaporazione col risultato di quadruplicare il calore immesso sotto forma sensibile
Q_Sens_Postpann / Q_Sens_Antepann = 4
Occorre rilevare a questo punto che, per una data Eumax producibile da un impianto solare, l’energia realmente utilizzata sarà f · Eumax , ove f è il fattore di utilizzazione della stessa. Pertanto mentre un impianto solare riscalderà l’atmosfera sempre e comunque in misura proporzionale alla Eumax, anche in assenza di utilizzazione, l’impianto termico omologo lo farà solo se viene utilizzato, e quindi in proporzione a
Eu = f · Eumax = ηth · Ec
in cui Ec è l’energia termica liberata annualmente dalla combustione, ηth è il rendimento medio annuale dell’impianto termico. In questo caso tutta l’energia termica liberata con la combustione costituisce il carico termico aggiuntivo per il sito di installazione
INQ_locth = Ec = f · Eumax / ηth
In questo caso i relativi carichi termici inquinanti stanno tra loro nel rapporto
INQ_thpann / INQ_locth = 0.36 · ηth / (f · ηpann)
Valori ammissibili dei rendimenti sono ηpann = 0.5, ηth = 0.85 per un impianto autonomo, ηth = 0.6 per un impianto centralizzato. Si ottiene pertanto
- per gli impianti autonomi INQ_thpann / INQ_locth = 0.61 / f
- per gli impianti centralizzati INQ_thpann / INQ_locth = 0.43 / f
con la conseguenza che si otterrà INQ_thpann / INQ_locth ≤ 1 cioè il solare termico non inquinerà più del termico tradizionale solo se sono verificate le condizioni
- per gli impianti autonomi f ≥ 0.61
- per gli impianti centralizzati f ≥ 0.43
Risulta conveniente per il sito di installazione e per l’ambiente in generale realizzare impianti solari termici al posto degli omologhi impianti a combustione purché i primi non siano sovradimensionati inutilmente e vengano eserciti con un fattore di utilizzazione che non scenda al di sotto di precisi limiti di convenienza.
Valutazione degli impianti solari fotovoltaici
Gli impianti fotovoltaici hanno la caratteristica di trasportare e cedere l’energia utile in un sito distinto da quello di installazione, che può essere situato anche a distanza notevole. In questo caso il surplus di energia ceduto nel sito di installazione diminuisce risultando
INQ_FV_locpann = 0.29 · Is – f · Eumax = Eumax · (0.36 – f · ηpann) / ηpann
che non si annullerà mai né tantomeno diverrà negativo perché i pannelli reperibili sul mercato hanno rendimenti compresi nell’intervallo 0.06 ≤ ηpann ≤ 0.12.
La forzatura sensibile nel sito di installazione sarà
Q_Sens_Postpann / Q_Sens_Antepann = 4 · (1 – 0.8 · f · ηpann)
Anche nel caso si avesse f = 1 la forzatura si ridurrebbe al massimo di appena il 10% sempre a causa dei valori molto bassi dei rendimenti dei pannelli fotovoltaici. L’impianto fotovoltaico non risulterà mai ad impatto termico zero per il sito di installazione.
Un impianto fotovoltaico valutato in un ambito allargato che comprenda anche il sito in cui viene utilizzata e scaricata in atmosfera sotto forma di calore l’energia prodotta, contribuisce al riscaldamento dell’atmosfera con tutto il suo potenziale inquinante per qualsiasi valore del fattore di utilizzazione
INQ_FV_totpann = 0.36 · Eumax / ηpann
Gli impianti termoelettrici omologhi immettono calore in atmosfera in parte nel sito di installazione
INQ_locth = Ec – Eu = f · Eumax / ηth – f · Eumax
e per la restante parte nel luogo di utilizzazione
INQ_utth = Eu = f · Eumax
con un inquinamento globale per l’ambiente pari a
INQ_totth = Ec = f · Eumax / ηth
Ciò premesso, per il sito di installazione dell’impianto si avrebbe un surplus di inquinamento termico dovuto al FV
INQ_FV_locpann – INQ_locth = (0.36 · Eumax / ηpann – f · Eumax) – (f · Eumax / ηth – f · Eumax) =
= 0.36 · Eumax / ηpann – f36 · Eumax / ηth = INQ_FV_totpann – INQ_totth
La differenza di inquinamento termico tra il Fv ed il tradizionale risulta la stessa sia per il sito di installazione che per l’ambiente globale.
Tenuto conto che un buon impianto termoelettrico combinato ha un ηth = 0.65, tale differenza sarebbe negativa o nulla, ossia il FV non risulterebbe più inquinante, se
ηpann ≥ 0.234 / f
condizione impossibile a realizzarsi con i rendimenti attuali dei pannelli FV.
Pertanto gli impianti fotovoltaici causano sempre un maggiore inquinamento termico rispetto ad un buon impianto termoelettrico sia nel sito di installazione che nell’ambiente considerato nella sua globalità.
Valutazione economica degli impianti solari
I tempi di ritorno semplice dei costi di investimento che occorre sostenere per la realizzazione di un impianto solare sono valutati sulla base di una lunga serie di parametri attinti dal “libro dei sogni” e risultano fortemente variabili. I valori maggiormente ricorrenti che si riscontrano nelle numerose pubblicazioni al riguardo sono
solare termico 5 – 8 anni
fotovoltaico 10 – 15 anni
Simili valori sono improponibili in un piano industriale credibile; non si vede perché per il privato debbano valere regole di valutazione economica diverse.
Forzando un tantino la mano potrebbe prendersi in considerazione solo il solare termico ma occorre farlo con molta oculatezza tendente a massimizzarne la resa e soprattutto dovrebbe esserci una contropartita ragionevole.
Influenza sull’effetto serra
I sostenitori degli impianti solari ad ogni costo sostengono con enfasi che pur con tutte le loro pecche tali impianti hanno il pregio innegabile di ridurre le emissioni di CO2 in atmosfera contribuendo al contenimento del riscaldamento globale al quale il pianeta sta andando incontro a causa dell’incremento dei gas serra. Secondo le loro previsioni, invero mai giustificate in maniera trasparente ed oggettiva, il raddoppio della concentrazione di CO2 porterà ad un incremento della temperatura media della superficie terrestre di 4 – 5 °C con drammatiche conseguenze per il pianeta. A questa conclusione si è giunti analizzando le rilevazioni da satellite similari a quelle riportate nel grafico seguente
nel quale è evidente che l’interferenza della CO2 con la radiazione emessa dalla superficie terrestre è concentrata nella banda tra 600 – 800 cm-1, dove si presenta un forte calo della radiazione misurata dalle apparecchiature a bordo del satellite. Gli stessi risultati sono stati rielaborati e riportati in negativo per mettere in evidenza il fattore serra dei principali gas coinvolti nel fenomeno. Il tutto è veramente impressionante; ma i dati vanno letti con cognizione di causa.
La lettura semplicistica, condita da una buona dose di ignoranza, porta a concludere che un raddoppio della CO2 comporterà anche un raddoppio del fattore serra con conseguente sensibile aumento della temperatura della superficie terrestre. Niente di più strampalato!
La superficie terrestre mantiene costante la sua temperatura media se il flusso termico in entrata che arriva dal Sole risulta uguale a quello in uscita da essa e ceduto all’atmosfera in parte come energia termica per adduzione liminare − convezione e per evaporazione dell’acqua superficiale, per la restante parte come energia radiante.
La trasmissione di una qualsiasi forma di energia in un mezzo non è accettata volentieri dal mezzo che oppone una resistenza caratteristica propria. La trasmissione di energia pertanto viene determinata e sostenuta dal gradiente della concentrazione della stessa energia nel mezzo.
Una precisazione prima di continuare. In fisica, ed in particolare in termodinamica, le proprietà intensive sono quelle proprietà che non dipendono dalla quantità di materia o dalle dimensioni del campione di riferimento ma soltanto dalla natura e dalle condizioni nelle quali si trova. Al contrario una proprietà si dice estensiva se dipende dalle dimensioni del sistema.
Nel caso dell’adduzione – convezione e nell’evaporazione si trasmette energia interna, che è una grandezza estensiva, la cui densità vale
ρint = N · cvm · T
ove ρint è la densità di energia interna in J/m3, N è il numero totale di molecole/m3 di gas atmosferici, cvm è il calore specifico medio a volume costante delle molecole in J/( m3 °K), T è la temperatura assoluta dei gas. Lo scambio termico tra la superficie ed il primo strato di atmosfera a suo contatto sarà proporzionale a
dρint / dh = N · cvm · dT / dh + cvm · T · dN/dh
essendo cvm costante per un gas in quanto legato solamente al fatto che la sua molecola sia monoatomica, biatomica o poliatomica.
L’evaporazione è un processo a temperatura costante ed il calore scambiato per questa via sarà proporzionale solamente al gradiente della concentrazione delle molecole di vapore formatesi nello strato limite interposto tra la superficie liquida ed l’atmosfera
dρint / dh = cvm · T · dN/dh
L’aumento di CO2 nell’atmosfera non interferisce con l’evaporazione. La trasmissione di calore per adduzione – convezione avviene invece ad N costante e dipenderà da
dρint / dh = N · cvm · dT / dh
Risulta evidente che il flusso termico dovuto all’adduzione – convezione cresce al crescere di N e che un suo incremento, conseguente alla immissione di CO2, produce un raffreddamento più intenso della superficie terrestre. Nello specifico non interessa quanto valga questo raffreddamento (sarebbe in verità dell’ordine di 10-4) ma che ci sia.
Per quanto concerne l’aliquota di calore trasmesso come energia radiante, l’interazione tra la radiazione e le molecole dei gas serra sensibili ad essa è circoscritta nell’intorno di una specifica lunghezza d’onda che ne rappresenta “l’impronta digitale”. Si deve fare riferimento cioè alla radiazione monocromatica corrispondente alla lunghezza d’onda λ al centro della banda di interferenza corrispondente. La densità dell’energia radiante presente in un gas immesso in un campo di radiazione è data, secondo Plank ed Einstein, da
ρλ = f(λ) · g(λ,T)
ossia, per una data λ, è funzione della sola T
ρλ = w(T)
ed è la stessa per tutti i materiali qualunque sia la loro natura ed il loro stato di aggregazione. In altri termini la densità di energia radiante è una grandezza intensiva così come la temperatura e non dipende dal numero e dal tipo delle molecole presenti nel campo della radiazione. Nello specifico interessa che tale densità di energia radiante non dipenda dal numero totale N di molecole al m3 presenti nello strato di atmosfera considerato e neppure dal numero di molecole di CO2 presenti ed interagenti con la radiazione monocromatica considerata.
Può risultare utile prendere in esame l’espressione della g(λ,T) trovata da Einstein come risultato degli effetti combinati dell’assorbimento di fotoni da parte di un gas sensibile alla radiazione e della loro emissione spontanea e stimolata, quando dette la sua elegante giustificazione teorica alla formula di Planck, basata “solo su un artificio matematico” come sostenevano i suoi critici
g(λ,T) = 1 / (N0 / N1 – 1)
ove N0 / N1 è dato dalla funzione di distribuzione di Maxwell-Boltzmann delle particelle con una certa energia, in un sistema che obbedisce alle leggi della fisica e della meccanica statistica. N0 corrisponde nello specifico al numero di molecole / m3 di CO2 non eccitate dalla radiazione, N1 quello delle molecole eccitate, la loro somma al numero totale delle molecole / m3 di CO2. Risulta chiaro che anche se il numero totale di tali molecole dovesse raddoppiare, raddoppierebbero contemporaneamente sia N0 che N1 e la g(λ,T) resterebbe immutata. Alla temperatura di 300 °K il rapporto N0 / N1 vale circa 25 e quindi la g(λ,T) resterebbe la stessa anche se, per assurdo, il contenuto di CO2 dovesse scendere fino ad un minimo di 26 molecole / m3 delle quali una sola eccitata e avrebbe problemi di esistenza al di sotto di tale valore. Con tali numeri però non ha più significato la distribuzione di Maxwell-Boltzmann perché il campione non è numericamente credibile. Tanto per chiarirci le idee il contenuto attuale di CO2 nell’atmosfera a livello del mare è di circa 5·1022 molecole / m3.
Lo scambio termico tra la superficie ed il primo strato di atmosfera a suo contatto sarà quindi proporzionale a
dρλ / dh = dw(T) / dT · dT / dh
valutata per h = 0; quello tra la sommità della troposfera e lo spazio sarà proporzionale alla stessa derivata valutata per h = Htrop.
Il contenuto di CO2 nell’atmosfera può assumere tutti i valori che si vuole ma non influenzerà mai la derivata suddetta e quindi il flusso di energia radiante determinato da essa.
Conclusioni
Dalle valutazioni svolte non emerge un solo elemento che possa essere portato a sostegno degli impianti solari rispetto agli impianti tradizionali omologhi in quanto essi sono dannosi non solo per il portafoglio ma soprattutto per il sito di installazione e per l’ambiente nella sua globalità. Infatti:
- i tempi di ritorno semplice degli investimenti sono in accettabilmente lunghi, soprattutto per il FV
- i pannelli sono una subdola forma di inquinamento termico per il sito di installazione perché
- scaricano nell’atmosfera del sito un carico termico aggiuntivo globale del 41%
- trasformano in sensibile tutto il calore scaricato incrementando del 300% l’aumento della temperatura nel sito creandovi una notevole bolla di calore
- se non sovradimensionato ed esercito con un fattore di utilizzazione elevato, il solare termico potrebbe risultare meno inquinante per il sito di installazione e per l’ambiente in generale rispetto agli impianti a combustione omologhi, ma resterebbe inalterata la forzatura sensibile per il sito di installazione
- gli impianti fotovoltaici causano sempre un maggiore inquinamento termico rispetto ad un buon impianto termoelettrico sia nel sito di installazione che nell’ambiente considerato nella sua globalità
- il ventilato effetto benefico sull’effetto serra, conseguente alla riduzione di CO2 nell’atmosfera, non esiste affatto perché la resistenza alla trasmissione di calore per irraggiamento che è correlata alla presenza in atmosfera della CO2 è una caratteristica puramente intensiva, cioè indipendente dalla quantità di gas coinvolto nel processo.
Ma allora ci troviamo di fronte ad una bufala montata ad arte!
NB:
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Galati
Seguo la stessa numerazione numerica del post.
1) L’assorbimento di un fotone da parte della molecola è un cambiamento di stato in cui l’assorbimento di energia avviene a temperatura costante. La molecola di H2 ad esempio ha una energia interna specifica di 1,5kT (3 gradi di libertà) per T<=80°K che passa a 2,5kT (5 gradi di libertà) per 80°K<=T=2500°K. Le transizioni avvengono in pratica con variazioni a gradino della temperatura in occasione dell’attivazione completa dell’energia rotazionale prima e di quella vibrazionale dopo. La modifica dell’energia interna a temperatura costante è caratteristica peculiare dei cambiamenti di stato. Non vedo alcuna differenza con l’evaporazione o gli atri cambiamenti di stato con i quali abbiamo più dimestichezza.
2) La media aritmetica delle temperature alla base ed alla sommità dell’atmosfera è di 255°K. Il valore di 288°K corrisponde alla temperatura media della superficie e quindi della base dell’atmosfera.
Non ho mai dichiarato di essere in disaccordo con l’effetto serra naturale ma sostengo che esso abbia cause fisiche diverse. Mi ripeto.
Se un ambiente riscaldato ha una parete costituita da una lamina metallica la dispersione di calore sarà molto alta ed una stufetta di una data potenza non riuscirà a riscaldare sufficientemente l’ambiente. Una volta foderata la parete con pannelli coibenti che ne aumentino la resistenza termica la stessa stufetta realizza una temperatura interna superiore. A nessuno verrebbe in mente di sostenere che il nuovo equilibrio termico sia stato raggiunto perché è aumentata la potenza della stufetta e la causa verrebbe correttamente imputata all’aumentata resistenza termica della parete.
Se l’atmosfera contenesse solo azoto ed ossigeno essa sarebbe isoterma a 255°K. In queste condizioni la superficie scambierebbe calore solo per irraggiamento. In particolare a 15 micron sarebbe trasmessa senza alcun problema (a temperatura costante) una data potenza specifica che però incontra una resistenza termica se è presente la CO2. Il sistema superficie – atmosfera vince questa resistenza innalzando la temperatura superficiale di quel tanto che è necessario a garantire che la suddetta potenza specifica continui ad essere trasmessa sempre nella stessa misura.
Perché in questo secondo caso lo stesso processo fisico di trasmissione termica in presenza di una resistenza viene giustificato con un aumento della potenza specifica emessa dalla superficie? Non vi è coerenza nel trattamento dello stesso fenomeno.
L’atmosfera è una grande capacità di energia termica sensibile (che si manifesta con una variazione della temperatura) alla quale contribuisce la totalità dei gas presenti, CO2 compresa, ed una capacità di energia radiante (che è di tipo latente e di alcuni ordini di grandezza inferiore alla precedente) dovuta alle sole molecole eccitate della CO2 le quali intervengono, come tutte le altre capacità (condensatori, autoclavi, bacini di calma, ecc), a moderare la velocità con la quale varia la temperatura della superficie terrestre durante i transitori del riscaldamento diurno e del raffreddamento notturno.
3) La pressione critica della CO2 è di 31°C. Considerate le temperature di Venere mi sembra probabile che lo strato più basse delle nuvole riflettenti stiano a temperatura superiore. A proposito da una consultazione ad hoc ho trovato che le nuvole siano di acido solforico. Poco importa. Basta che nelle nuvole ci siano gocce ben grandi da provocare la riflessione.
La trasmissione e la riflessione sono cose distinte. Ad essere riflessi a causa degli urti elastici contro le gocce presenti nelle nuvole sono i FOTONI PARTICELLE (che però a questo punto dovrebbero avere anche una elasticità oltre alla quantità di moto) i quali ritornano indietro nel campo radiante così come una pallina ritorna indietro nel campo gravitazionale dopo avere urtato contro il pavimento. Ma la riflessione per il momento non interessa.
La parte gassosa delle nuvole trasmette i FOTONI ENERGIA non riflessi ma nel pieno rispetto dei processi di trasporto. Nessun negazionismo quindi.
4) Effettivamente la mia frase risulta poco chiara e si presta ad essere male interpretata. Chiarisco.
Il termine “quest’ultima” deve intendersi riferita alla “energia termica accumulata” nell’atmosfera altrimenti vi sarebbe una profonda contraddizione nel mio ragionamento.
Si avrebbe il GW se aumentasse la temperatura media dell’atmosfera.
Non ho mai parlato di strati assorbenti stratificati in basso. Un simile frasario è fuori dalla mia logica in relazione all’argomento in oggetto.
Esperimento ideale.
Si basa sull’accettazione assiomatica di quello che io ritengo sia il “peccato originale” di tutta la questione.
La legge SB ( lo stesso dicasi per quella di Planck) scritta ed interpretata fisicamente nella sua forma monomia non ha alcun senso se applicata ad un processo fisico e porta alla convinzione sbagliata che l’irraggiamento sia un processo assoluto del tutto svincolato dal contesto in cui il fenomeno stesso si verifica. Un trasferimento non può avvenire se non sono contemporaneamente presenti il dante ed il ricevente e sono proprio le caratteristiche di questi ultimi a determinare il trasferimento.
Nel caso prospettato si avrà scambio di calore tra le due piastre solo nella direzione da 1 a 2, fermo restando che ambedue irraggeranno, se lo possono fare, nel restante angolo solido escluso quello in cui si traguardano a vicenda. L’irraggiamento da 2 verso 1 sarebbe del tutto anomalo se avvenisse perché tra tutti i percorsi possibili disponibili per la loro evoluzione i fenomeni naturali scelgono sempre quello che richiede il minimo impegno energetico per evitare di incrementare inutilmente e scioccamente l’entropia dell’universo. Se dovessimo applicare la legge SB con l’ottica della partita doppia, ammettendo che si verificano ben due processi fisici del tutto inutili per il risultato che si vuole raggiungere, dovremmo affermare in questo caso è la natura a contraddirsi.
Personalmente propendo per il contrario.
Cordiali saluti.
Michele
“FOTONI PARTICELLE (che però a questo punto dovrebbero avere anche una elasticità oltre alla quantità di moto) i quali ritornano indietro nel campo radiante così come una pallina ritorna indietro nel campo gravitazionale dopo avere urtato contro il pavimento. Ma la riflessione per il momento non interessa. La parte gassosa delle nuvole trasmette i FOTONI ENERGIA non riflessi ma nel pieno rispetto dei processi di trasporto. ”
“Nel caso prospettato si avrà scambio di calore tra le due piastre solo nella direzione da 1 a 2, fermo restando che ambedue irraggeranno, se lo possono fare, nel restante angolo solido escluso quello in cui si traguardano a vicenda.”
Affermazioni come queste mi pare confermino quantomeno la poca dimestichezza con le proprieta’ fisiche dei fotoni, con i fenomeni di interazione tra radiazione e materia, e con la natura STATISTICA dei fenomeni termodinamici. E da queste affermazioni, palesemente prive di senso per chi abbia studiato un po’ di fisica, e forse anche per chi ne mastica poca, si deduce che i modelli di trasferimento radiativo comunemente utilizzati sono errati e che quindi l’effetto serra della CO2 e’ indipendente dalla concentrazione. Mi rivolgo nuovamente (e per l’ultima volta) agli amministratori del sito: l’ultima parte di questo articolo e’ completamente insensata, e infarcita di errori. Ritengo sia nel vostro interesse prendere dei provvedimenti.
Cordiali Saluti
Giovanni Pellegrini
Vorrei chiedere a Giovanni Pellegrini se questo lo chiama “discutere” ?
Sto cercando di seguire e, da profano, di capirci qualcosa, e non trovo affatto convincenti i metodi e gli atteggiamneti di questa persona, Giovanni Pellegrini.
Se la fisica le dà ragione, non crede di poterlo dimostrare con argomenti, e non con minacce e richieste di sanzioni ?
Siamo o non siamo in una Nazione (ancora) libera, o il pensiero dovrebbe essere impedito con la forza ?
Dimostri la forza della sue idee con la ragione, e non con la forza, visto che se ne dichiara capace !
Secondo me.
Duepassi
Posso capire che i miei toni non siano concilianti. D’altra parte qui non si tratta di censurare nessuno. Nell’ultima parte di questo articolo ci sono scritte delle cose semplicemente sbagliate, ma cosi’ sbagliate che quando le ho lette ai miei colleghi al dipartimento di fisica, si sono fatti delle grasse risate. E’ quindi nell’interesse di questo sito correggere l’ultima parte dell’articolo. Le confesso che non so nemmeno perche’ mi sia fatto coinvolgere, con dispendio di tempo e di fatica (forse per amore della fisica), perche’ effettivamente forse e’ meglio lasciare questo tread a futura memoria.
Cordiali Saluti
Giovanni Pellegrini
Giovanni non mi è ben chiaro cosa ti intenda per futura meomoria. Ad ogni modo ti pregherei di accogliere il suggerimento del commento di “Duepassi” e di produrre quelle che tu ritieni debbano essere le necessarie correzioni. Se del caso, sentirei volentieri l’opinione dei tuoi colleghi. A tempo perso naturalmente. Allo stesso tempo, sollecito Michele ad intervenire sull’argomento, dopo che Giovanni avrà specificato per bene cosa intende.
Grazie a tutti e due.
gg
Riletto il post:
allora il trasferimento radiativo terrestre NETTO verso l’alto e conseguente raffreddamento della superficie e dell’atmosfera si instaura per differenza tra flusso di radiazione ricevuto (minore) e flusso di radiazione uscente (maggiore), almeno di notte o a partire dal calar del Sole, e questo lo dice anche Capoogna all’inizio parlando dell’equilibrio termico terrestre…
Viceversa al crescere dell’intensità dell’irradiazione Solare il flusso entrante è maggiore di quello uscente e la temperatura della superficie terrestre e dell’atmosfera crescono.
Se questa allora è la causa, direi banale, del riscaldamento e raffreddamento della superficie terrestre e dell’atmosfera, (e la cosa mi sembra francamente innegabile) cosa c’entra poi il gradiente di densità di energia tra uno strato e il successivo che potrebbe essere già un’effetto a posteriori di tutto il meccanismo di trasferimento radiativo?
La diminuzione dell’intensità della potenza infrarossa verso l’alto diminuisce infatti col quadrato della distanza, ma a mitigare tale gradiente ci si mette la convezione che trasporta calore verso l’alto portando il gradiente termico ad un valore simile a quello comunemente osservato che è pressappoco di tipo lineare.
L’errore che, secondo me, Capogna fa è mischiare il trasferimento radiativo col trasferimento del calore per conduzione, che sono due cose diverse ovvero seguono meccanismi diversi (nel secondo c’è effettivamente una differenza di energia cinetica molecolare che si scarica tramite gli urti dalla parte calda alla parte fredda, nel primo c’è differenza netta di irradiazione tra due corpi che irradiano a temperatura diversa). Insomma la radiazione non è propriamente materia, il fotone non ’sente’ alcun gradiente di temperatura, si propaga e basta secondo le Equazioni di Maxwell nelle quali non vi è nessun termine riferibile al gradiente di densità di energia.
Poi verrebbe da chiedersi come mai in un contesto di sensibile incremento della Co2 la temperatura terrestre non sia diminuita come la tesi di Capogna vorrebbe, ma anzi sia aumentata?
Torniamo invece all”effetto coperta’ da parte della C02 in analogia appunto con una coperta vera e propria: se la coperta è più spessa, o se vogliamo più densa, più calore è ‘trattenuto’ (dato sperimentale innegabile) interpretabile unicamente col fatto che ogni strato della coperta può reirradiare in parte verso il basso restituendo calore al suolo che la riemette tornando nel processo di assorbimento dell’atmosfera stessa riscaldandola di più fino al raggiungimento dell’equilibrio radiativo con la radiazione entrante.
Più chiaro di così.
Caro Luca,
mi piace il tuo (posso darti del tu?) scrivere semplice. Sono sempre stato convinto che scrivere in maniera semplice richieda una maggiore, e non una minore, comprensione dei fenomeni. Proprio per questo vorrei chiederti una cosa che mi assilla da un po’. Hai parlato della coperta, ok. Una coperta più spessa cosa significa ? Ovvero, per un aumento lineare dello spessore (che è un’altezza) della coperta, è vero o non è vero che ci debba essere un aumento della quantità di CO2 che va col cubo ? La coperta che consideriamo occupa infatti un volume, pare a me. Se, per farla semplice semplice in modo che ci arrivino anche i poveretti come me, immaginassimo che questa “coperta” fosse una coperta gonfiabile, da riempire a CO2, per inalzare lo spessore di un tot, dovremmo immettere un certo “volume” di C2. Senza considerare per il momento l’altro problema, della saturazione, pare a me, profano, che per aumentare in modo pericoloso lo spessore della coperta servirebbe una quantità mostruosa (non oso pensare quanto) di CO2. Non saprei quantificare la cosa, perché sono ignorante in materia, ma credo che voi, che ne capite molto più di me, avrete senz’altro il modo di far due conti (abbastanza)precisi.
Ti ringrazio in ogni caso.
Guido (si, anch’io mi chiamo Guido)
Duepassi
Stai facendo confusione mi pare, ma forse ho capito male io, comunque provo a spiegarti. Facciamo finta di avere un cubo pieno di co2; adesso raddoppio ciascun lato del cubo, ottengo un volume che e’ 2×2x2=8 volte piu’ grande, cioe 2^3 volte piu’ grande. Quindi se raddoppio TUTTE le dimensioni del cubo, il volume aumente con la terza potenza (quindi proprio col cubo!!!). Se invece raddoppio solo una dimensione (solo l’altezza), il volume aumentera’ solo di 2 volte, quindi linearmente e non in maniera cubica. Prova ad immaginare di riempire una vasca da bagno con l’acqua. Se per avere 10cm d’acqua me ne occorre una certa quantita’, per averne 20cm me ne occorre il doppio, non otto volte tanto.
Riguardo la saturazione, vai a questo link:
http://geoflop.uchicago.edu/forecast/docs/Projects/modtran.html
e gioca con la concentrazione di CO2. vedrai che se la raddoppi, la banda di assorbimento della co2 non raddoppia, ma comunque aumenta (guarda la potenza in uscita in alto a dx, se raddoppi la CO2 la potenza in uscita non si dimezza, ma diminuisce di qualche W/m^2).
Cordiali Saluti
Giovanni
@pellegrini
Ho visto il grafico all’attuale concentrazione di 375 p.pm.:
c’è una cosa che non mi quadra, all’equilibrio termico la riemissione dell’energia assorbita nella banda dell’infrarosso dovrebbe avvenire a frequenze maggiori (per la legge dello spostamento di Wien perchè maggiore è la temperatura T di equlibrio in seguito all’assorbimento) mentre il grafico rosso dell’osservazione sfora la curva blu a sinistra ovvero a frequenze più basse…non è strano?
a destra…
@Pellegrini
Scusami, vorrei capire bene.
Io ho uno strato alto x.
Chiamando ri e rf i due raggi, quello dove inizia lo strato (ri) e quello dove finisce (rf), l’altezza dello strato dovrebbe essere x = rf – ri, giusto ?
Che ne è del volume ? Il volume sarà la differenza Vx = (4/3)π (rf^3 – ri^3)
L’atmosfera che circonda la Terra non mi pare che sia fatta a forma di colonna, ma a forma di una sfera, a cui dobbiamo sottrarre la sfera interna costituita dalla Terra stessa.
(Questo considerando la Terra una sfera, ma le mie capacità di calcolo non arrivano al caso del geoide)
sbaglio ?
@duepassi
Si, le considerazioni sono più o meno esatte, però non è che noi decidiamo di aumentare intenzionalmente lo spessore della coperta di un certo spessore; semplicemente immettiamo Co2 e di conseguenza aumenterà indicativamente lo spessore della ‘coperta’ fino ad certa quota H; in realtà la Co2 si distribuisce uniformemente in p.p.m. (che è un misura relativa) su tutta la colonna d’aria atmosferica; per cui gli strati diventano più densi di Co2 e questo fa si che ad una certa quota, la dove prima la densità assoluta di Co2 era bassa da non assorbire radiazione termica terrestre (o cederla alle molecole di Azoto e Ossigeno) lasciandola sfuggire verso lo spazio, ora invece assorbe di più con conseguente maggiore riemissione verso Terra e conseguente alterazione del bilancio radiativo.
Se ti interessa invece sapere se la Co2 immessa dall’uomo è scarsa o meno basta semplicemente considerare l’incremento percentuale di ben 40% circa in p.p.m. che c’è stato negli ultimi 150 anni in seguito alla seconda rivoluzione industriale quando la Co2 di origne naturale, assieme agli altri gas serra atmosferici, operava già un’effetto serra naturale con lo stesso meccanismo.
Se ti interessa sapere invece se l’assorbimento infrarosso da parte della Co2 sia già saturo fino ad una certa quota H o meno, ammesso che lo sia (qualcuno dice si, qualcuno dice no) l’assorbimento della radiazione non assorbita avverrebbe comunque a strati più elevati con la solita riemissione verso terra e conseguente incremento del forcing radiativo.
Insomma è vero che di notte la Terra globalmente si raffredda, ma il meccanismo dell’effetto serra siffatto ne ritarda notevolmente il processo (inerzia radiativa) come dice anche Capogna.
@pellegrini
Ma poi c’è anche il fatto che all’equilibrio aumentando la concentrazione di Co2 il sistema assorbe di più portandosi ad una temperatura superuiore, ma a quel punto all’equiibrio dovrebbe riemette anche di più, non di meno come si evince invece raddoppiando la concentrazione.
In aggiunta inoltre aumentando la concentrazione di Co2 dovrebbe aumentare l’assorbimento nella banda infrarossa (la cui ampiezza è giusto che rimanga tale) ovvero dovrebbe scendere verso zero l’emissione in quella porzione dello spettro, mentre invece rimane limitata inferiormente alla curva di T=220K pari alla temperatura della tropopausa.
@galati
Non saprei proprio dirti, non e’ il mio campo pero’:
1) Mi pare che la curva di riferimento sia quella verde a 300K, infatti se metti tutti gli input a zero nel modello, le curve tornano
2) Mi pare che la temperature sia considerata fissa,quindi si considera un’emissione di corpo nero a 299.7K punto e stop per il modello cosi’ com’e’. Poi non saprei per la CO2, penso che sia plausibile che la forma della banda di assorbimento sia funzione della concentrazione,ma non ho l’esperienza per dirlo. Forse non va sotto i 220K proprio perche’ quella e’ la saturazione ad una determinata lunghezza d’onda, ma tiro a caso.
Cordiali Saluti
Giovanni Pellegrini
Qui il modello matematico del trasferimento radiativo:
http://it.wikipedia.org/wiki/Trasferimento_radiativo
@ DuePassi
Sono ben felice di fornire un paio di chiarimenti matematici:
1) Prendiamo proprio il volume V(x) che lei ha scritto, ma esprimiamolo esplicitamente in funzione di x, con x altezza dell’atmosfera, e raccogliamo ri^3 (raggio della terra) a fattore comune. Otteniamo:
V(x)=(4/3) Pi ri^3 * (((ri+x)/ri)^3 -1)
2) Ora x<<ri, essendo x circa 10km e ri circa 6500km. Espandiamo quindi in serie al primo ordine il termine ((ri+x)/ri)^3 e otteniamo che:
((ri+x)/ri)^3 ~ 1+3x/r1
3) Sostituiamo questa espressione in V(x) e otteniamo:
V(x)~(4 Pi r1^2)*x
Quindi la quantita' varia linearmente con lo spessore ed e' uguale alla superficie della sfera (4 Pi r1^2) moltiplicata per lo spessore del guscio (x). Ovviamente e' quello che ci si aspetterebbe, nel senso che la terra e' localmente piatta, sulla scala di spessore dell'atmosfera.
Cordiali Saluti
Giovanni Pellegrini
Da profano come sono ero solito pensare alla Terra come ad una sfera (un geoide, se vogliamo) e immaginavo un’atmosfera di forma anch’essa sferica, per cui mi sembrava (qualitativamente parlando) plausibile che un aumento di uno strato andasse comunque col cubo.
Lei (avevo tentato di usare il “tu”, come si usa un po’ dappertutto sul Web, ma visto che qui si usa il Lei mi adeguo) mi ha però dimostrato che, a casua della fortissima differenza dimensionale del raggio della Terra rispetto alla pochezza infinitesima dell’altezza della troposfera, la Terra è da considerarsi (mi corregga se sbaglio)una sfera piatta (localmente) e quindi il sottilissimo strato di atmosfera va considerato lineare, con buona pace delle mie idee cubiche, che devo mettere da parte, di fronte a calcoli fatti (e da me, malfidato, verificati) che mi confermano la validità della sua approssimazione. Ne prendo atto, com’è doveroso da parte mia.
Non le nascondo che non mi aspettavo una cosa del genere, ma ne terrò conto nei ragionamenti futuri.
Avrei ancora qualche curiosità (e qualche perplessità), e Le sarei grato se mi aiutasse a chiarirle.
Lei ha parlato di uno strato di CO2 di 10 km, e quindi coincidente colla troposfera.
In che modo sono legate CO2 e troposfera ?
Le spiego la ragione della mia domanda. Se lo strato della CO2 coincidesse con la troposfera, e fosse ad essa legato per qualche ragione che ignoro (e che Lei potrebbe smentire o confermare) e tenendo conto che la percentuale della CO2 mi pare piuttosto bassina in assoluto, vorrei capire come farebbe allora lo strato ad aumentare… invaderebbe la stratosfera ? sposterebbe la tropopausa più in alto ? Di quanto ?
Che rapporto c’è dunque tra la CO2 e la sua collocazione fisica nell’atmosfera ?
Perché mi viene, da quanto detto, il dubbio che l’altezza dello strato non possa poi alzarsi più di tanto (tanto poco, immagino, ma le mie sono immaginazioni da profano), e quindi saremmo comunque al punto di partenza, più o meno.
La ringrazio in anticipo in ogni caso.
Mi sono preso qualche giorno di riflessione per tornare a sostenere la discussione in piena serenità.
@ Duepassi
Il mio grazie più sentito. Qualunque aggiunta al tuo post sarebbe del tutto pleonastico.
@ Pellegrini
“Usque tandem …… abutere …?”
L’aspetto strettamente formale della riflessione del fotone potrebbe anche sfuggirmi ma non i fondamentali di tale processo il cui compimento si basa sulla conservazione simultanea della quantità di moto e dell’energia.
In quale maniera questi principi fondamentali e universali si applicano al fotone? Chi subisce il corrispettivo dell’urto elastico della Meccanica, il fotone particella o il fotone energia (considerato il loro comportamento duale) e come? Quale evoluzione e/o trasformazione subisce l’energia durante l’urto? Quale forma di energia prende il posto di quella potenziale elastica della pallina che accumula l’energia cinetica durante il suo arresto e la restituisce durante l’accelerazione in senso opposto? E’ possibile ipotizzare le equazioni del moto del processo ossia l’evoluzione di esso in funzione del tempo?
@ Galati
Propongo a questo punto una lettura fluidodinamica del trasferimento di energia radiante che ritengo degna di attenzione.
Mi sento legittimato a farlo per il comportamento duale dei fotoni che sono i nostri portatori di carica energetica; posso assumere che i fotoni (come i cugini fononi e gli elettroni) costituiscano un gas ideale la cui equazione di stato è rappresentata in termini del tutto generali dalla relazione
P = densità elementi dotati di qdm * quanto energetico del caso specifico
Per i fotoni si ha
P = F*(hv) = densità fotonica * quanto onda elettromagnetica = densità energia fotonica
Per i gas molecolari
P = (N°molecole/mc)*(kT) = densità energia termica sensibile
Per i fononi
P = F’*(hv)’ = densità fononica * quanto onda cristallo solido = densità energia fononica
In quest’ottica si può trattare il flusso di energia radiante come effetto derivato del flusso del gas fotonico ed in particolare inquadrarne il comportamento alla luce delle equazioni fondamentali degli stati di moto di un gas limitandoci alla forma molto semplice, valida per le condizioni di regime stazionario.
Continuità
Portata fotoni costante in tutto il campo di moto
F*u*A = cost.
Nel nostro caso, u è la velocità della luce (costante), il campo di moto è sferico, e quindi
F = cost/R^2.
Nel caso della radiazione IR terrestre la sola equazione della continuità è in grado di giustificare la diminuzione della temperatura da 288°K a 287.73°K passando da quota zero alla sommità della troposfera, ben poca cosa rispetto ai 70°K che si verificano realmente.
Quantità di moto
L’equilibrio dinamico delle forze in gioco richiede che, in presenza di una resistenza uniformemente distribuita, tra due sezioni generiche (1 e 2) del tubo di flusso distanti tra loro l sia verificata la relazione
P1-P2 = (F1-F2)*(hv) = R*l
ossia che
F1-F2 = R’*l .
Il moto degli elettroni e dei fononi nel solido sono entrambi di tipo viscoso, come viene confermato dalle leggi sperimentali di Ohm e di Fourier che sanciscono la linearità tra la forza motrice ed il flusso generato. Più che legittimo mi pare ammettere che sia anche di tipo viscoso il moto dei fotoni nella miscela dei gas che costituiscono l’atmosfera terrestre dal momento che il libero cammino medio è in questo caso di gran lunga superiore a quello nel reticolo cristallino dei solidi.
La differenza F1-F2 (e quindi anche T1-T2, legate tra loro nell’equazione di Planck) può assumere qualsiasi valore in base alla resistenza al moto che il flusso di fotoni incontra.
Quindi è l’equazione della qdm e non quella della continuità a giustificare il salto termico esistente nella troposfera terrestre.
Energia
Il flusso di energia è costante in ogni sezione del tubo di flusso. Con la legge di Fourier ne abbiamo la verifica sperimentale continua per il flusso dei fononi nel solido.
UNA DOVEROSA PRECISAZIONE. Tutto quanto sopra detto è valido purché il moto dei fotoni sia di tipo viscoso ossia che (prendiamo ancora in prestito termini dalla fluidodinamica) il moto sia decisamente laminare.
L’equazione di stato dei fotoni conferma che la densità non è una proprietà estensiva ma non evidenzia neppure la dipendenza qualitativa da un gas molecolare. Il tutto viene superato dalla relazione di Einstein più volte richiamata
F = cost/(N0/N1-1)
in cui
N0/N1 = exp(hv/kT)
è l’impronta digitale del gas. Cioè F è caratteristica qualitativa specifica di un determinato gas ed essa non dipende dalla massa di questo, ossia dalla sua concentrazione.
L’atmosfera di solo azoto ed ossigeno, perfettamente trasparente per l’IR e quindi con resistenza nulla al moto dei fotoni, trasmetterebbe senza problema alcuno tutta la potenza specifica della banda 15 micron nel rispetto dell’equazione della continuità (salto termico di appena 0.27°K).
La presenza della CO2 è causa della resistenza al moto dei fotoni e quindi del gradiente della densità fotonica (e della temperatura) necessario a vincerla. La deformazione del profilo termico verticale, che è dovuto a fattori interni al sistema atmosfera – superficie, deve avvenire a contenuto termico totale costante, ossia a temperatura media costante. Questa corrisponde a 255°K sia in assenza di CO2, che in sua presenza essendo (290+220)/2 = 255. In altri termini la CO2, nonostante sia presente con pochi ppm nell’atmosfera terrestre, ne determina il profilo termico verticale che ruota attorno al valore medio provocando l’innalzamento della temperatura sulla superficie e il suo abbassamento alla sommità della troposfera.
L’effetto serra naturale è questo.
Assorbimento
Fare riferimento alla banda di assorbimento della CO2 ci porterebbe fuori pista e non arriveremmo a nessuna conclusione perché la sua determinazione sperimentale la rende inapplicabile al caso in specie. Essa viene determinata usando fonti emittenti a temperatura di molto superiore ai 290°K della superficie terrestre, ossia con portate fotoniche troppo elevate le quali (ancora una similitudine fluidodinamica) comportano che lo stato di moto non sia più laminare ma decisamente turbolento. La turbolenza è causa degli urti dei fotoni con tutte le altre molecole (il numero di questi urti è senza dubbio una proprietà estensiva) e della termalizzazione della loro energia.
Una parte di essi potrebbe essere assorbita e riemessa dalla CO2 come viene affermato nel trasferimento radiativo. Ma la potenza specifica di 290°K non fornisce neppure un fotone per questo scopo, perché il flusso corrispondente di fotoni è decisamente laminare e si limita solo a garantire, con la suddivisione delle molecole della CO2 tra i primi due livelli energetici vibrazionali, il gradiente della densità fotonica necessario alla trasmissione dell’energia radiante.
Sarebbe estremamente importante ed interessante una verifica sperimentale al riguardo con misure spettrometriche di laboratorio che utilizzano una sorgente a temperatura ambiente. E’ possibile?
*** …. il fotone non ’sente’ alcun gradiente di temperatura, si propaga e basta secondo le Equazioni di Maxwell nelle quali non vi è nessun termine riferibile al gradiente di densità di energia…..
Ma le equazioni di Maxwell non sono le sacre tavole della Legge!
E’ vero che esse non fanno alcun riferimento al campo di moto delle onde elettromagnetiche; questo non significa tale campo sia inutile, dimostra solo che l’impianto formale è incompleto. Maxwell non ha mai avuto interesse a farlo, Poynting si è limitato a determinare la sola energia dell’onda.
L’impianto necessita di essere integrato possibilmente con trattazioni autonome di tipo elettromagnetico, che non sono alla mia portata, oppure mantenendo l’analogia fluidodinamica di cui sopra, naturalmente nelle forme e nei modi più consoni.
La mia analogia, mi pare, consente di trovare risposte senza che sia necessario alcun atto di fede cieca in qualcuno o qualcosa.
Accettiamo pure questa trattazione ‘fluidodinamica’ per i fotoni (approfondiremo in seguito meglio il concetto di quantità di moto per i fotoni che è una cosa pò atipica rispetto all’accezione della fisica classica).
Lei dice che l’accumulo energetico in atmosfera è dovuto alla resistenza all’irradiazione dei fotoni verso l’alto per effetto dei gas serra assorbenti in una situazione simile alla ‘viscosità’ del mezzo nel caso fluidodinamico o come accade nella relazione della ‘conduzione termica’ di Fourier per effetto del ‘coefficiente di conducibilità’ (l’effetto finale sarebbe dunque quello di un inerzia nel raffreddamento da irraggiamento, e fin quinulla di strano).
Viene da chiedersi allora perchè, se si aumentano le molecole causa della ‘viscosità’ fotonica in atmosfera, ovvero i gas serra, non aumenta appunto la viscosità stessa…alias il coefficiente di conducibilità?
Lei subito rigetta la cosa illustrando la relazione di Einstein, valida in primis per cavità laser, in cui l’accumulo di fotoni in un gas non dipende dal gas serra, ma diminuisce solo con la temperatura…
La domanda allora diventa: la temperatura T nella formula (variabile indipendente) da cosa dipende se non può essere conseguenza dell’assorbimento dei fotoni che è invece la variabile dipendente? Dalla termalizzazione dell’assorbimento dei fotoni sulle altre molecole di gas atmosferico?
P.S le equazioni di Maxwell non sono assiomi ovvero un ‘atto di fede’ perchè discendono da precise leggi sperimentali dell’elettromagnetismo di cui sono la perfetta sintesi teorica.
Sul fatto che siano incomplete dipende dal tipo di trattazione o approccio affrontato che non è di tipo corpuscolare/quantistico, ma classico/ondulatorio. Bisognerebbe dunque dare un’occhiata all’elettrodinamica quantistica.
Provi a pubblicare le sue idee o a proporle a qualcun altro esperto vediamo che succede.
LG
Insomma lei si è chiesto cosa accade al trasporto di fotoni di un’onda elettromagnetica (punto di vista quantistico) attraverso un materiale con una certa ‘conducibilità termica’, grandezza che è evidentemente conseguente a quella può essere quantisticamente chiamata ‘conducibilità fotonica’, in quanto il fotone interagisce con le molecole del mezzo (assorbimento o meno) come farebbe anche una particella dotata di massa…
Adesso è ben chiaro di cosa si tratta.
Comunque la trattazione microscopica tramite fotoni e ‘conducibilià fotonica’ non porta alle stesse conclusioni di quella macroscopica tramite il coefficiente di conducibilità termica (Fourier) poichè questo aumenta all’aumentare dello spessore o anche della densità del mezzo assorbitore.
pardon: della densità e basta…
…ed anzi il coefficiente di conducibilità diminuisce…
Ho infine 3 ultime domdande da farle, Sig.Capogna:
1) che pensa allora delle affermazioni di Fourier stesso, da cui discende l’equazione del flusso termico nonchè padre dell’effetto serra, secondo il quale l’aggiunta di Co2 provocherebbe l’innalzamento della temperatura media del pianeta?
2) perchè presa una piastra elettrica radiante riscaldata, la sensazione di calore irradiato diminuisce molto velocemente con la distanza, presumibilmente col quadrato della distanza? La cosa sembra in disaccordo con quanto dice lei…
3) che fino hanno fatto i calcoli di Arrhenius sulla ’sensitività climatica’ tanto per farci un’idea del procedimento fisico-matematico, più o meno valido, utilizzato dallo stesso?
@ Galati
Puntualizzazione: parliamo per favore di “lettura” fluidodinamica.
La presenza della CO2 in atmosfera è fuori di ogni dubbio causa determinante
- del gradiente termico verticale
- del gradiente della densità di energia radiante (Planck e/o Einstein)
- del gradiente della pressione fotonica (equazione di stato)
- di una resistenza uniformemente distribuita che contrasta il flusso del gas fotonico (quantità di moto).
Per l’equazione di stato del gas fotonico la densità energetica e la pressione fotonica non dipendono da nessun tipo di materia ma solo dalla densità dei fotoni immateriali (mentre nel gas molecolare entrambe sono proporzionali alla densità molecolare).
L’equazione di stato non dà tutte le risposte cercate perché non consente di legare il fenomeno alla CO2 che ne è causa evidente.
La risposta, che non è data neppure dalla formula di Planck le cui variabili indipendenti sono frequenza e temperatura, la troviamo invece nella relazione di Einstein che fa riferimento all’equilibrio radiazione-materia per un gas immerso in un campo radiante (senza altre condizioni). Si ottiene che il gradiente di pressione fotonica è causato dalla resistenza opposta dalla CO2 con un’azione solamente qualitativa, non quantitativa.
Nel mio post precedente avevo dato per scontato che il moto dei fotoni fosse laminare, atteso che risulta tale il moto dei gas di fononi e di elettroni nei solidi nonostante questi presentino liberi cammini medi molto più piccoli rispetto ai gas. Ma possiamo cercare altre giustificazioni.
La resistenza uniformemente distribuita e quindi i gradienti correlati sono proporzionali
- al prodotto (viscosità dinamica)*(velocità) nel moto laminare
- al prodotto (densità)*(quadrato velocità) nel moto turbolento, ossia alla portata di qdm.
La viscosità dinamica di un gas, contrariamente alla densità, non dipende affatto dalla pressione ed è funzione della sola temperatura (per l’aria ad esempio m/m0 = (T/T0)^0.75).
Confrontiamo i dati di Venere e di Terra.
Con una concentrazione prossima al 100% della CO2 e con l’enorme pressione ivi esistente (max 92 bar), il gradiente della temperatura nei primi 30 km di atmosfera è 11.5 – 12.7 °K/km con una temperatura media di 555°K. Lo stesso gradiente per Terra è di 6.5 – 7 °K/km con una temperatura media di 255°K, ma con una pressione parziale di alcune frazioni di millibar. La pressione di Venere è circa 250000 volte più grande di quella parziale della CO2 terrestre ma i gradienti della temperatura sono dello stesso ordine di grandezza. Anzi, se mettiamo in conto le temperature medie dei due pianeti, applicando la relazione sperimentale tra viscosità e temperatura valida per l’aria, otteniamo sorprendentemente
(6.57) * (555/255)^0.75 = 11.512.5
ossia i due pianeti presenterebbero in pratica gli stessi gradienti verticali della temperatura se avessero la stessa temperatura media e ciò nonostante le pressioni siano infinitamente diverse tra loro.
Anche Marte ha un’atmosfera di quasi sola CO2 ad una pressione che risulta circa 18 volte superiore rispetto alla pressione parziale della CO2 terrestre ed una temperatura media di 180°K. Il gradiente verticale della temperatura, pari a circa 4.5°K/km, è inferiore a quello terrestre. Esso non risente della maggiore pressione parziale della CO2, ma solamente della minore temperatura media. Mettendo in conto le temperature medie si ottiene
(6.57) * (180/255)^0.75 = 5.05.4
valori molto prossimi a quello reale.
Occorrerebbe chiudere completamente gli occhi all’evidenza per non prendere atto che la CO2 può aumentare come si vuole nell’atmosfera di un pianeta senza che vi siano conseguenze sul suo raffreddamento radiativo!
I fotoni termalizzano solo se si verificano urti e questo si verifica se lo stato di moto è turbolento. In questo caso il fenomeno dipende dalla densità del gas “contro il quale si cerca di fare un’azione di sfondamento fotonico”, come avviene nelle applicazioni di spettrofotometria.
Nel moto laminare invece ogni singolo fotone esegue il suo slalom muovendosi nei liberi cammini medi che le molecole gli lasciano (senza sbattere contro nessuna di esse e risentendo solo delle loro azioni viscose a distanza) con “LA SEMPLICITÀ, LO STILE E L’ECONOMICITÀ CHE CONTRADDISTINGUONO I FENOMENI NATURALI” (G. Jarre).
Atteso che il moto dei fotoni e’ laminare, le chiederei alcuni chiarimenti:
1) Come definisce il libero cammino medio di un fotone?
2) Il fotone si muove in maniera curvilinea tra le molecole senza urtarle, se ho capito bene, e le sue deviazioni di traiettoria sono date da questa interazione viscosa. Ma questa interazione di che tipo e’: meccanico? Elettrodinamico? Potrebbe chiarire?
cordiali saluti
Giovanni Pellegrini
Le sue osservazioni mi hanno portato a riconsiderare un attimo la questione.
Analizzando l’interazione tra radiazione e molecola con dipolo permanente o indotto e ragionando in ambito puramente classico notiamo che:
- il campo elettrico esercita sul dipolo coppie di forze a risultante prevalentemente nulla che lo assoggettano ad oscillazioni forzate vibrazionali e rotazionali senza influenzare il moto del baricentro della molecola
- le forze esercitate dal campo elettrico sul dipolo ammettono in genere anche una risultante non nulla che costringe il baricentro della molecola ad eseguire un moto armonico trasversale rispetto alla direzione di propagazione dell’onda
- il dipolo è assoggettato anche alla forza generata dal campo magnetico che è concorde con il verso della propagazione dell’onda per entrambe le cariche elettriche.
Questi ultimi due moti delle molecole interagenti comportano perdite fluidodinamiche che vengono compensate a scapito dell’energia elettromagnetica della radiazione. In pratica si realizza una corrente convettiva selettiva nel verso della propagazione della radiazione (forse sarebbe più opportuno parlare di diffusione forzata) che riguarda solamente i gas interagenti con essa.
In condizioni di stazionarietà le perdite fluidodinamiche sono uniformemente distribuite e quindi la potenza specifica radiante decresce linearmente con la distanza percorsa nel mezzo, fatto peraltro confermato dal profilo lineare delle temperature in un’atmosfera planetaria. Resta comunque fatta salva l’indipendenza del fenomeno dalla pressione.
Questo pone in discussione la legge di Beer e Lambert ma non dimentichiamo che ciò viene fatto sistematicamente nelle attività di laboratorio in cui si è opera a pressioni molto basse che legittimano la sostituzione dell’esponenziale della formula dell’assorbimento con il suo sviluppo in serie troncato al secondo termine, ossia la legge lineare.
Viene posta in discussione anche l’analogia tra la trasmissione di energia radiante ed il calore e serve un ulteriore approfondimento.
I miei saluti.