I pannelli solari sono utili per il riscaldamento globale perché causano meno (molto meno) riscaldamento superficiale rispetto alla raccolta di energia equivalente dovuta alla combustione di combustibili fossili.
Un modello semplificato
Per capire perché questo è considerato un modello (molto semplificato!) di quale dovrebbe essere la temperatura della superficie. In questo modello considereremo solo la luce solare in arrivo e presumo che tutto questo arrivi in superficie (questo è sbagliato, ma abbastanza buono).
In superficie accadono due cose:
- una parte della luce solare viene riflessa e (per la stessa ipotesi di cui sopra) torna direttamente nello spazio;
- una parte viene assorbita e la superficie si riscalda.
Poiché la superficie è calda, ora si irradia come un corpo nero (o approssimativamente) e la maggior parte di questa radiazione è nell'infrarosso (se non lo è, probabilmente non sei interessato a vivere su questo pianeta, poiché la sua superficie è visibilmente luminosa).
Sfortunatamente l'atmosfera non è trasparente agli infrarossi, quindi parte della radiazione in uscita dalla superficie viene assorbita nell'atmosfera e quindi irradiata nuovamente, e parte di questa nuova radiazione ritorna in superficie. Questo processo è abbastanza complicato perché è necessario sapere a quali lunghezze d'onda l'atmosfera non è trasparente e quindi risolvere un mucchio di equazioni pelose di trasferimento radiativo, per non parlare di nuvole, convezione, vento &c &c &c.
Ma c'è una semplice e ovvia risposta del fisico: il risultato finale di questo processo intorno agli infrarossi (ciò che uno scienziato del clima chiamerebbe 'onde lunghe') nell'atmosfera è che la superficie finisce un po 'più calda di quanto ci si aspetterebbe se non c'era atmosfera.
(Nota che ho completamente ignorato la componente IR della radiazione in arrivo dal Sole, cosa che un modello appropriato non dovrebbe fare.)
Quindi, OK, ora prenderemo in considerazione due modifiche a questo modello: pannelli solari e combustibili fossili.
Pannelli solari
I pannelli solari catturano parte della luce visibile / UV dal sole e la trasformano in infrarossi (tramite le macchine in funzione &c e infine il riscaldamento). Non è del tutto ovvio se i pannelli solari abbassano o aumentano la proporzione di luce solare in entrata che viene riflessa direttamente (in altre parole hanno un albedo più alto o più basso della superficie che hanno coperto) ma supponiamo che lo abbassino, quindi il loro risultato netto è quello di abbassare l'albedo della superficie e per aumentare la quantità di infrarossi irradiati. Questo quindi aumenta leggermente la temperatura della superficie.
Combustibili fossili
Questi non fanno nulla all'albedo, (in realtà lo fanno: lo abbassano a causa della fuliggine, ma scaricano anche fuliggine nell'atmosfera che lo rende meno trasparente alla luce visibile e questo è tutto un processo complicato che ignoreremo ma che conta molto in effetti). Creano due cose:
- approssimativamente la stessa quantità di infrarossi dei pannelli solari per la stessa quantità di energia, che riscalda leggermente la superficie (questo riscaldamento proviene da energia precedentemente intrappolata nei combustibili fossili e catturata lì molto tempo fa dal sole);
- $ \ mathrm {CO_2} $ , in grandi quantità.
Sfortunatamente $ \ mathrm {CO_2} $ è uno dei componenti dell'atmosfera che assorbe e riattiva gli infrarossi, quindi questa emissione di $ \ mathrm {CO_2} $ aumenta la temperatura della superficie con il processo più o meno descritto sopra.
Quale causa maggiore riscaldamento della superficie?
Per sapere quale di questi provoca più riscaldamento, è necessario modellare effettivamente il sistema in alcuni ragionevoli dettagli (ed è solo perché questi modelli finiscono per essere piuttosto complicati che consente ai negazionisti di entrare). Ma un modo è confrontare la quantità di energia proveniente dal Sole (e che viene irradiata indietro) e l'energia generata dagli esseri umani.
La costante solare, che è il flusso di energia dal Sole che attraversa l'orbita terrestre, è di circa $ 1360 \, \ mathrm {W / m ^ 2} $ , e questo significa che la quantità di energia che il Sole fornisce alla Terra nella parte superiore dell'atmosfera è di circa $ 1,7 \ times 10 ^ {17} \, \ mathrm {W} $ span>. La produzione di energia umana nel 2013 è stata di circa $ 1,8 \ volte 10 ^ {13} \, \ mathrm {W} $ .
Ciò significa che il flusso di energia dal Sole è circa $ 10 ^ 4 $ volte più grande della generazione di energia umana: anche un cambiamento relativamente piccolo di quanto di questo contribuisce al riscaldamento superficiale sminuirà completamente qualsiasi riscaldamento dovuto alla generazione di energia umana. Un altro modo di pensare a questo è che tutta la generazione di energia umana riguarda $ 0,04 \, \ mathrm {W / m ^ 2} $ . Gli squilibri nel flusso solare dovuti ai cambiamenti nei gas serra sono dell'ordine di $ 1 \, \ mathrm {W / m ^ 2} $ : molto di più.
Il semplice modello di corpo nero
Un altro modo di vedere questo è considerare un modello di corpo nero senza cervello: supponi che non ci sia atmosfera e che la Terra sia un corpo nero perfetto illuminato dal Sole: quale sarebbe la sua temperatura. Bene, un pensierino ti mostra che si troverebbe a una temperatura di
$$ T_S = \ left (\ frac {F} {4 \ sigma} \ right) ^ \ frac {1} {4} $$
Dove $ F $ è il flusso solare in arrivo e $ \ sigma $ è Stefan- Costante di Boltzmann. E questo risulta essere $ 278 \, \ mathrm {K} $ , o circa $ 5 \, \ mathrm {C} $ . È più freddo di quanto non sia in media, ma è una prima stima decente.
Quindi ora, facciamolo per la generazione di energia umana. La formula qui è
$$ T_H = \ left (\ frac {H} {4 \ pi R ^ 2 \ sigma} \ right) ^ \ frac {1} {4} $$
Dove $ H $ è la generazione di energia umana e $ R $ è il raggio della Terra.
E questo riguarda $ 28 \, \ mathrm {K} $ . E ricorda che il flusso di energia corrisponde alla quarta potenza della temperatura ( $ \ sigma T ^ 4 $ ): la generazione di energia umana non è ovunque vicino a riscaldare il pianeta in modo significativo. Puoi facilmente vederlo considerando la differenza tra un pianeta riscaldato interamente dal Sole e uno in cui viene aggiunta la generazione di energia umana:
$$
\ begin {align}
\ Delta T & = \ sinistra (\ frac {F} {4 \ sigma}
+ \ frac {H} {4 \ pi R ^ 2 \ sigma} \ right) ^ \ frac {1} {4}
- \ sinistra (\ frac {F} {4 \ sigma} \ destra) ^ \ frac {1} {4} \\
& \ circa 0,007 \, \ mathrm {K}
\ end {align}
$$
Questo è completamente trascurabile.