17 Giugno 2024

L’INTERAZIONE TERMICA TRA IL SOLE E LA TERRA

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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 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:

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

1 thought on “L’INTERAZIONE TERMICA TRA IL SOLE E LA TERRA

  1. Questi calcoli mostrano di che ordine di grandezza possa essere il contributo termodinamico determinato dai consumi di energia umani sul pianeta.
    Emerge che si tratta di qualcosa dell’ordine del 2…3% del contributo che proviene dal sole. Una percentuale piccola, ma non trascurabile, che determina un diverso punto di equilibrio climatico rispetto ad una sua totale assenza.
    Quindi stiamo riscaldando l’atmosfera? Ma si, anche, però:
    1. E’ difficile quantificare con certezza l’incidenza del nostro contributo
    2. Questo contributo è indipendente dalla forma di energia utilizzata
    3. Il consumo di energia dipende dai numeri demografici, 8 miliardi in crescita, numeri non comprimibili, ed anche dai livelli di sviluppo, ma nessuno al mondo è disposto a fare passi indietro.
    4. Non dipende in alcun modo dalla CO2, uno spauracchio che ha determinato politiche inutili e complessivamente dannose, almeno nel mondo occidentale.
    Le eventuali politiche di contrasto agli effetti più sgradevoli dei cambiamenti climatici NON devono essere quelle adottate, ma politiche completamente diverse, tra le quali è fondamentale la riforestazione, il solo processo NATURALE e massiccio capace di trasformare energia in massa lignea.
    5. Le politiche volte a favore delle cosiddette energie alternative o rinnovabili possono avere un solo scopo: ridurre i consumi di fonti esauribili, petrolio e gas naturale, ma NON l’immissione di calore in atmosfera, che NON dipende dal COME l’energia venga prodotta.

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