(S-1) La luce del Sole e la Terra

Come viene generata la luce solare

Tutte le sostanze calde irradiano luce, o nel visibile o al di là dello spettro dell'arcobaleno, nella zona dell' "infrarosso" (IR, "al di sotto del rosso") e nella zona dell' "ultravioletto" (UV, "al di sopra del violetto"). È questo il tipo di emissione [chiamata "radiazione di corpo nero" dai fisici -- l'emissione di un corpo che non ha un suo colore proprio] che irradia un pezzo di ferro incandescente o il filamento di una lampadina elettrica. 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, il colore della sua fotosfera suggerisce una temperatura di 5780 gradi Kelvin (gradi centigradi misurati a partire dallo zero assoluto, circa 5500 °C).

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 circa 0,5 gradi di diametro. Per questo motivo, l'energia totale che ogni area riceve deve essere uguale all'energia totale che ritorna nello spazio.

La meteorologia

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. A un certo punto, si raggiunge un'altezza dove non c'è più aria ad impedire alla radiazione IR di disperdersi nello spazio. L'aria allora, irradiando, si raffredda e cessa di salire, producendo uno strato relativamente stabile di atmosfera noto come stratosfera. Arrivando nella stratosfera, l'aria in realtà viene riscaldata per l'assorbimento della radiazione ultravioletta da parte dell'ozono, e questo ulteriore riscaldamento mantiene lo strato ancora più stabile.

Appena al di sotto del limite della stratosfera ("tropopausa"), l'aria che si è raffreddata viene spinta in basso dall'aria più calda che sale dal basso. Il risultato è una circolazione di aria, che sale calda e ridiscende fredda, ripetendo in continuazione questo ciclo, e questo moto è chiamato convezione. Nelle fredde giornate d'inverno, questo moto di convezione avviene anche nelle nostre case: nelle vicinanze di una finestra scarsamente isolata l'aria si raffredda e scende verso il basso (come si può verificare con la fiamma di una candela -- ma attenzione a non appiccare fuoco!), mentre al centro della stanza l'aria calda sale. La regione tra il suolo e la stratosfera, dove avvengono i fenomeni meteorologici e i moti di convezione, è nota come troposfera.

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.

L'aria rimanente è più secca e più calda -- più calda a causa del vapore acqueo che si trasforma di nuovo in acqua liquida, cedendo così energia alla zona circostante -- e più l'aria è calda e più essa è in grado di irradiare il suo calore nello spazio. È questo il motivo per cui l'acqua, le nuvole e la pioggia giocano un ruolo fondamentale nel trasferimento del calore solare dal terreno allo spazio esterno, e contribuiscono a produrre i complessi fenomeni meteorologici e climatici.