L’INTERAZIONE TERMICA TRA IL SOLE E LA TERRA
Il nostro pianeta ha una circonferenza appena superiore a 40mila km, ha quindi un diametro di 12.740 km. La figura schematizza l’irradiazione solare ed il pianeta circondato dalla sua atmosfera.
La quantità di energia radiante Sole-Terra per unita’ di tempo e superficie (ovvero la potenza per unità di superficie), misurata sulla superficie superiore dell’atmosfera terrestre, ha il valore medio universalmente riconosciuto di circa 1.366 W/m², 1,366 GW/km2 per semplicità.
Questa energia, equivale a 1.366 Joule/m² al secondo.
In un dato istante soltanto metà dell’emisfero planetario è irradiato dai raggi solari, mentre l’altra metà è in ombra. Ogni area piccola a piacere dell’alta atmosfera riceve quindi 1.366 Joule/m² di energia al secondo ed impiega 12 ore per ruotare di 180° , cioè 60 x 60 x 12 = 43.200 secondi.
La semi circonferenza misura 20.000 km. La velocità di rotazione è di 20.000 / 43.200 = 463 m/sec. Significa che, immaginando per un momento il pianeta come se fosse un disco piatto spesso soltanto un metro, ogni singolo metro quadro della semicirconferenza assorbirebbe in 12 ore: 1.366/463 x 43.200 = 127.453 Joule di energia radiante, partendo da una temperatura bassa (in uscita dalla notte) continuando a riscaldarsi gradualmente, sino al completamento della rotazione di 180°, da cui inizia una fase di raffreddamento notturno di identica durata.
In realtà dovremmo tenere conto della legge di Lambert, I = I0 x cos(α), dove I0 vale 1.366 W/m², ed (α) è l’angolo di incidenza della radiazione solare nel punto di impatto. Infatti, se è vero che la radiazione solare impatta a 90° la superficie del pianeta lungo la linea di allineamento dei due corpi celesti, mano a mano che ci si allontana da quel punto, verso nord o verso sud, l’angolo di impatto diminuisce, sino ad azzerarsi. Quindi dovremmo calcolare l’integrale della formula di Lambert tra 0° e 90°, suddividendolo in 21.600 punti (43.200/2) : I=I0 x Integ(0-21.600) ( cos (α / 21.600) dα ).
Il risultato del calcolo è 0,84147. Significa che soltanto (1.366 x 0,84147) 1.150 W/m² di energia media vanno tenuti in conto nel calcolo: 1.150/463 x 43.200 = 107.300 Joule invece di 127.453.
Tutto questo, naturalmente, ai margini dell’atmosfera, e tra le tante semplificazioni stiamo anche immaginando che questa intensità di radiazione si propaghi inalterata sino al suolo, senza assorbimento atmosferico, ciò che non è. Ma proseguiamo pure in base a queste ipotesi. I metri quadri irrorati dal sole in 12 ore sarebbero 20.000, per cui l’energia totale ricevuta dal sole lungo questa ipotetica striscia planetaria sarebbero 20.000 x 107.300 = 2.146 MJ. La superficie della terra è 4πr2. Il raggio terrestre è di 6.370 km. La superficie terrestre è quindi pari a circa 510 milioni di km2 .
Se assumiamo che ogni metro quadrato della superficie terrestre assorba in una rivoluzione completa di 24 ore 107.300 Joule di energia radiante, cioè 107.300 MJ/km2, il pianeta nel suo insieme assorbirebbe in 24 ore: 107.300 MJ x 510.000.000 km2 = 54.723.000.000.000 MJ di energia solare, sinteticamente 54,7 milioni di Tera Joule di energia.
Questo calcolo è MOLTO approssimato perché si basa sull’intensità della radiazione solare valutata ai margini dell’atmosfera, quindi di una sfera a diametro superiore a quello della superficie terrestre, la qual cosa significa che la superficie di primo impatto da considerare sarebbe superiore a 510 milioni di km2 e quindi l’insieme di pianeta solido/liquido ed atmosfera riceve dal sole una quantità di energia superiore a quei 54,7 milioni di TeraJoule. Una parte però entra ed esce dall’atmosfera senza arrivare al suolo (sopra i due poli). Quindi prendiamo per buono questo numero. Non tutta questa energia arriva al suolo, perché una quota importante viene catturata dall’atmosfera stessa, che si riscalda, e viene in parte riflessa verso lo spazio, quindi perduta. Anche quella che raggiunge il suolo viene in parte riflessa verso l’atmosfera e lo spazio sovrastante, trasmessa verso gli strati più profondi del suolo e delle acque, ecc.
1 kWh (chilowattora) = 1000 Joule/sec x 3.600 sec = 3.600.000 Joule = 3,6 MJ. 3,6 Tera Joule = 1 milione di kWh = 1 GigaWh. Quindi i nostri 54,7 milioni di Tera Joule equivalgono a 15,2 milioni di GigaWh, 15,2 x 1015 Wh, 15.200 TeraWh, 15,2 PetaWh in 24 ore.Energia trasferita dal Sole alla Terra in 1 anno: 15,2 PetaWhin 24 ore x 365 gg = 5.548PetaWh
Ed il contributo umano, alias “antropico” ?
Va premesso che TUTTA l’energia che consumiamo sul pianeta, che tragga origine da combustione di idrocarburi, biomasse, fonti solari, eoliche, idroelettriche, ecc, al termine di tutti i processi si trasforma integralmente in CALORE, che viene trasferito al suolo, alle acque ed all’atmosfera.
– superficie della Terra = 510 milioni di km²
– superficie dell’Italia = 302.073 km², ovvero lo 0,06% della superficie totale
– percentuale terre emerse = 29,2%, pari a 149 milioni di km²
– percentuale italiana su terre emerse = 0,2 %
– ore in un anno = 24*365 = 8.760
– consumo medio annuo italiano energia elettrica (Terna): 350 TWh
– importazione petrolio: 70 milioni di tonnellate
– contenuto energetico di 1 tep (tonn. equivalente di petrolio secondo OCSE) = 11.630 kWh.
– importazione di gas naturale (Min. Ind.): 72.728 milioni di m³ di gas (1m³ = 1000 litri).
– densità energetica del gas = 10 MJoule/litro = 2.78 kWh/litro.
Supponiamo che TUTTA l’energia elettrica sia prodotta da solare più eolico, ciò che NON è, e che l’energia derivata da petrolio e gas sia impiegata soltanto per produzione di calore e trasformazioni diverse, tra cui trazione su gomma.
Energia da petrolio = 70 * 1.000.000 [t] * 11.630 [kWh] = 814.100.000.000 [kWh] = 814.100 [GWh] = 814,1 [TWh]
Energia da gas = 2,78 [kWh/l] * 72.728 * 1.000.000.000 [m³] = 2.021.83.840.000 [kWh] = 202.183,84 [GWh] = 202,18384 [TWh]
Facciamo la somma di questi tre contributi energetici. Complessivamente, la componente di calore italiana corrisponde a 814.1 + 202.18 + 350 = 1.366,28 TWh . La popolazione italiana è di circa 59 milioni di abitanti. Quella mondiale è di circa 8.073.859.000. Il consumo individuale medio di energia italiano pro capite è quindi di 23.157 kWh annui. Se attribuissimo il medesimo consumo energetico medio a TUTTA la popolazione mondiale, ciò che non è, perché i consumi di energia sono molto inferiori nei paesi poco sviluppati, otterremmo un consumo mondiale di energia pari a circa 186.966 Twh annui.
Il contributo solare calcolato è di 15.200 TWh al giorno; su 365 gg/anno significa 5.548.000 TWh.
Il rapporto tra il contributo di calore antropico diretto, MOLTO SOVRASTIMATO, è pari al 3,37%.
Secondo alcune fonti nel 2019 il consumo globale medio lordo di energia è stato di circa 21.027 kWh pro capite all’anno. Il continente con il maggiore consumo è il Nord America con circa 65.722 kWh pro capite e all’anno. Attualmente il consumo totale (cioè: elettrico, trasporti, ecc.) di energia si aggira intorno ai 130.000 Twh/anno (circa lo 0.007% dell’energia che riceviamo dal Sole), 1’11 % del quale è relativo alla energia elettrica (14,000 TWh/ anno).
Secondo i miei calcoli sulla quantità di energia ricevuta dal sole il contributo antropico sarebbe di : 130.000 / 5.548.000 = 2,34%.
Secondo altra fonte (Wikipedia) nel 2019 il consumo globale medio lordo di energia (2019) è stato di circa 153.000 Twh/anno. Secondo i miei calcoli sulla quantità di energia ricevuta dal sole il contributo antropico sarebbe di : 153.000 / 5.548.000 = 2,75%.
Leggo che:
Secondo una ipotesi di variazione secolare della costante solare in grado di riconciliare i dati sperimentali a terra dello Smithsonian APO (1923-1954) e i dati satellitari (1975-2005), il suo valore massimo moderno è di 1366 W/m² e il minimo, in corrispondenza del minimo di Maunder (1645-1715) è di 1349 W/m². Questa variazione genererebbe un aumento della temperatura della Terra di +1,5 °C, determinato per mezzo di un modello paleo-climatico. Una variazione dell’1,26%.
La temperatura media planetaria, per quel niente che significa, è attorno a +15°C.
Un aumento della costante solare dell’1,26% significherebbe un incremento di 69.905 TWh.
(5.548.000 TWh x 0,0126 = 69.905 TWh). Se questo importo energetico fosse invece dovuto a cause antropiche, significherebbe un aumento del 37,38% della nostra immissione di energia, secondo le mie ipotesi di consumo energetico mondiale, e del 53,77% o 45,69% secondo altre fonti.
Quindi, se il nostro consumo di energia aumentasse in tal misura, in teoria la temperatura media planetaria potrebbe salire di +1,5°C. Infatti il pianeta non sa da dove arrivi il calore, se dal sole o da attività umane. Un tale aumento di temperatura media, rapportato alla maggiore immissione di energia, significherebbe 0,00002146 °C/TWh, 21,46×10-6 °C/TWh, 21,46 µ°C/TWh …una inezia …
Tutto questo è preoccupante?
Ing. Franco Puglia – 24 maggio 2024
