Ma come fa la CO₂ a scaldare la Terra?

Non è il gas serra più potente in assoluto. E non è nemmeno il più abbondante nell'atmosfera. Eppure il diossido di carbonio (meglio noto come CO₂) svolge un ruolo determinante nel modo in cui il nostro pianeta trattiene e redistribuisce l'energia proveniente dal Sole.

Per capire perché questo accade bisogna dimenticare, almeno per un momento, l'idea della CO₂ come di una sostanza che "produce calore" o che "blocca il calore sotto una coperta". Nessuna delle due immagini descrive davvero ciò che avviene nell'atmosfera.

La CO₂ non genera energia e non la imprigiona in modo permanente. Interagisce invece con la radiazione infrarossa emessa dalla Terra, modificando il percorso che questa energia deve compiere prima di tornare nello spazio. È un meccanismo che coinvolge la fisica delle molecole e che, pur essendo invisibile ai nostri occhi, determina una parte fondamentale del clima terrestre.

L'energia: dal Sole alla Terra

Quasi tutta l'energia che alimenta il sistema climatico proviene dal Sole.

La radiazione solare raggiunge la Terra sotto forma di onde elettromagnetiche di diversa lunghezza. La parte più importante per il nostro pianeta è costituita dalla luce visibile e dal vicino infrarosso. L'atmosfera è quasi completamente trasparente a queste lunghezze d'onda: per questo la luce attraversa l'aria senza essere assorbita in modo significativo e raggiunge la superficie terrestre.

Oceani, foreste, campi coltivati, deserti e città assorbono questa energia e si riscaldano. Fin qui la CO₂ ha un ruolo marginale.

Ma ogni corpo caldo emette a sua volta energia. Vale per una stufa, per il nostro corpo e anche per la Terra. Esiste però una differenza fondamentale tra il Sole e il nostro pianeta: la loro temperatura.

La superficie del Sole raggiunge circa 5.500 °C, mentre quella terrestre ha una temperatura media di circa 15 °C. Per questo motivo il Sole emette soprattutto luce visibile, mentre la Terra restituisce l'energia ricevuta sotto forma di radiazione infrarossa, caratterizzata da lunghezze d'onda maggiori e invisibili all'occhio umano.
Ed è proprio su questa radiazione che agisce la CO₂.

Come tante piccole molle

L'azoto (N₂) e l'ossigeno (O₂), che insieme costituiscono circa il 99% dell'atmosfera se si esclude il vapore acqueo, lasciano passare quasi indisturbata gran parte della radiazione infrarossa emessa dalla Terra.

La CO₂, invece, si comporta diversamente e la ragione è nella sua struttura molecolare.

Una molecola di anidride carbonica è composta da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno (O=C=O). Come tutte le molecole, anche la CO₂ non è immobile: i suoi atomi possono oscillare, piegarsi e allungarsi secondo modalità ben precise, chiamate modi vibrazionali.

La fisica quantistica ci dice che queste vibrazioni possono assorbire soltanto quantità di energia ben definite. Tra queste ce n'è una che corrisponde quasi perfettamente alla radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre, in particolare attorno ai 15 micrometri di lunghezza d'onda.

In altre parole, quando un fotone infrarosso con quell'energia incontra una molecola di CO₂, può essere assorbito. Non accade perché la CO₂ "attira" il calore, ma perché la sua struttura molecolare è compatibile con quella precisa frequenza della radiazione.

Immaginiamo una piccola molla. Quando viene compressa, accumula energia elastica. Se viene lasciata libera, restituisce quella stessa energia tornando alla posizione iniziale.
La CO₂ si comporta in modo analogo, anche se il fenomeno è di natura quantistica.

Quando assorbe un fotone infrarosso, la molecola passa a uno stato vibrazionale eccitato. Gli atomi iniziano a oscillare con maggiore energia: quella del fotone non è scomparsa, ma è stata temporaneamente immagazzinata nella vibrazione della molecola.

Questa fase dura pochissimo, dell'ordine di milionesimi o addirittura miliardesimi di secondo. Tuttavia è sufficiente perché avvenga il passaggio successivo, quello realmente importante per il clima terrestre.

Perché l'energia resta più a lungo nell'atmosfera

L'atmosfera è un ambiente estremamente dinamico. Ogni molecola urta continuamente quelle che la circondano. Quando una molecola di CO₂ si trova nello stato eccitato, nella maggior parte dei casi collide con molecole di azoto o ossigeno prima di riemettere spontaneamente il fotone che aveva assorbito.
Durante queste collisioni parte dell'energia vibrazionale viene trasferita alle altre molecole. Il risultato è che azoto e ossigeno aumentano leggermente la propria velocità di movimento.

Dal punto di vista fisico è proprio questo che definiamo temperatura: l'energia cinetica media delle molecole che costituiscono un corpo.
L'energia trasportata inizialmente dal fotone infrarosso diventa quindi energia di movimento delle molecole dell'aria.

Attraverso successive collisioni, altre molecole di CO₂ possono assorbire nuovamente energia e riemettere fotoni infrarossi in direzioni casuali: verso lo spazio, lateralmente oppure nuovamente verso la superficie terrestre.

Questo continuo alternarsi di assorbimenti, collisioni e riemissioni rende il percorso dell'energia molto più lungo e complesso rispetto a quello che seguirebbe in un'atmosfera priva di gas serra.

Più CO₂ significa più riscaldamento (senza che si crei nuova energia)

Ma se la CO₂ riemette l'energia che aveva assorbito, perché la temperatura aumenta?

La risposta è che la quantità complessiva di energia non cambia.

Quello che cambia è il tempo che quell'energia trascorre all'interno del sistema climatico prima di essere dispersa nello spazio.

Immaginiamo il percorso di un singolo fotone infrarosso. In un'atmosfera con poca CO₂ avrebbe maggiori probabilità di lasciare rapidamente il pianeta.
Ma se invece aumenta la concentrazione di anidride carbonica, cresce anche la probabilità che quel fotone venga assorbito, che la sua energia venga trasferita ad altre molecole, che venga nuovamente riemesso e che il processo ricominci.

Ogni singolo passaggio è brevissimo. Ma miliardi di miliardi di eventi di questo tipo, che avvengono continuamente in tutta l'atmosfera, modificano il bilancio energetico complessivo del pianeta.

Per ristabilire l'equilibrio tra l'energia ricevuta dal Sole e quella dispersa nello spazio, la superficie terrestre deve raggiungere una temperatura media più elevata. Solo così può emettere una quantità sufficiente di radiazione infrarossa da compensare l'energia in ingresso.

È questo il fondamento fisico dell'effetto serra.

Perché la CO₂ è diversa dagli altri gas serra

L'atmosfera contiene diversi gas capaci di assorbire radiazione infrarossa. Tra questi troviamo il vapore acqueo, il metano (CH₄), il protossido di azoto (N₂O), l'ozono e la stessa CO₂.
Il vapore acqueo è il contributore più importante all'effetto serra naturale. Senza di esso la Terra sarebbe molto più fredda e probabilmente inospitale per la maggior parte delle forme di vita.

Perché allora l'attenzione scientifica si concentra soprattutto sulla CO₂?

La differenza è che la quantità di vapore acqueo presente nell'atmosfera dipende quasi interamente dalla temperatura. Se l'aria si riscalda può contenere più umidità; se si raffredda, il vapore condensa rapidamente e torna al suolo sotto forma di pioggia o neve. Il suo tempo medio di permanenza in atmosfera è di circa dieci giorni.

La CO₂ segue una dinamica completamente diversa.

La sua concentrazione non è determinata dalla temperatura atmosferica nel breve periodo, ma dal bilancio tra emissioni e assorbimenti operati da oceani, suoli e vegetazione. Quando le attività umane immettono grandi quantità di anidride carbonica nell'atmosfera, il sistema naturale non riesce ad assorbirla con la stessa velocità.

Per questo la CO₂ agisce come una forzante climatica: altera il bilancio energetico del pianeta e innesca un riscaldamento che, a sua volta, permette all'atmosfera di trattenere più vapore acqueo. Quest'ultimo amplifica il riscaldamento già avviato dalla CO₂, ma non lo origina.

Il metano rappresenta un caso diverso ancora. Molecola per molecola è molto più efficace della CO₂ nell'assorbire la radiazione infrarossa, ma permane nell'atmosfera mediamente per circa dodici anni. La CO₂, invece, è meno efficiente per singola molecola, ma continua ad accumularsi nel tempo.

È questa combinazione tra abbondanza, persistenza e capacità di modificare il bilancio energetico globale a renderla il principale indicatore del cambiamento climatico di origine antropica.

Quanto rimane in atmosfera

Una delle caratteristiche più importanti della CO₂ è la sua longevità. Non esiste una singola risposta alla domanda "quanto vive una molecola di CO₂?", perché l'anidride carbonica viene continuamente scambiata tra atmosfera, oceani, vegetazione e suolo.

• Una parte viene assorbita nel giro di pochi anni dalle piante attraverso la fotosintesi o dagli oceani superficiali.

• Un'altra parte impiega decenni o secoli per essere trasferita negli oceani profondi.

• Una frazione significativa, infine, rimane nell'atmosfera per centinaia di anni e una piccola quota può influenzare il clima terrestre persino per migliaia di anni, finché processi geologici molto lenti non la rimuovono definitivamente.

Questo significa che le emissioni prodotte oggi continueranno ad avere effetti anche sulle generazioni future.

È uno degli aspetti che distingue la CO₂ dalla maggior parte degli altri inquinanti atmosferici: i suoi effetti non terminano quando cessano le emissioni, ma si protraggono nel tempo perché il sistema climatico impiega molto tempo a ritrovare un nuovo equilibrio.

Conclusioni

Comprendere il ruolo della CO₂ significa comprendere il funzionamento stesso del clima terrestre.

L'anidride carbonica non produce energia, non genera calore dal nulla e non impedisce definitivamente alla radiazione di lasciare il pianeta. Interagisce con l'infrarosso emesso dalla superficie terrestre, trasferisce energia alle molecole dell'aria e rende più lungo il percorso attraverso cui quell'energia torna nello spazio.

Su scala microscopica si tratta dell'assorbimento di un fotone da parte di una singola molecola.

Su scala planetaria, miliardi di miliardi di interazioni identiche modificano il bilancio energetico della Terra e determinano un aumento della temperatura media globale.

È in questo passaggio, apparentemente minuscolo ma continuamente ripetuto, che si trova una delle chiavi per comprendere il cambiamento climatico contemporaneo.

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Bibliografia e letture consigliate

• IPCC (2021). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Sixth Assessment Report.
• IPCC (2023). AR6 Synthesis Report.
• NASA Earth Observatory. The Atmosphere: Getting a Handle on Carbon Dioxide.
• UCAR Center for Science Education. Carbon Dioxide Absorbs and Re-emits Infrared Radiation.
• Royal Society. Climate Change: Evidence and Causes.
• Archer, D. (2011). Global Warming: Understanding the Forecast. Wiley.
• Pierrehumbert, R. T. (2010). Principles of Planetary Climate. Cambridge University Press.
• Pacchioni, G. (2021). W la CO₂! Possiamo crescere felici senza distruggere il pianeta. Il Mulino.