Aerosol, cambiamento climatico e il drammatico fallimento della legge di Planck

Nel 1991, l'eruzione del Monte Pinatubo nelle Filippine ha rilasciato circa 20 milioni di tonnellate di anidride solforosa nell'alta atmosfera. L'anidride solforosa reagisce con altre sostanze per produrre nanoparticelle aerodisperse chiamate aerosol di solfato, che tendono a riflettere la luce solare.

Di conseguenza, nei due anni successivi all'eruzione, la temperatura globale è scesa di circa mezzo grado.

L'effetto degli aerosol sul clima terrestre è estremamente importante ma incredibilmente complesso. Oltre a raffreddare la Terra, alcuni aerosol, come la fuliggine, tendono ad assorbire la luce solare e quindi a riscaldare l'atmosfera.

Un'enorme domanda in sospeso nella scienza del clima è come questi processi di assorbimento del calore e riflessione si bilanciano.

Parte del problema è che nessuno capisce come le nanoparticelle assorbono ed emettono calore. In teoria, questo processo è governato dalla legge di Planck, che descrive la quantità di radiazione elettromagnetica emessa da un corpo nero perfetto a una data temperatura.

Ma in pratica, gli oggetti reali non emettono calore perfettamente, quindi i fisici devono applicare un fattore di correzione chiamato emissività spettrale. Ciò dipende dalle proprietà della superficie dell'oggetto, ad esempio dal materiale e dalla rugosità.

Negli ultimi anni, tuttavia, sono emerse prove allettanti che indicano che anche la forma e il volume di un oggetto possono svolgere un ruolo in questo processo.

Oggi Christian Wuttke e Arno Rauschenbeutel della Vienna University of Technology in Austria mostrano per la prima volta come e perché questo è vero.

Sottolineano che quando un oggetto è grande rispetto alla lunghezza d'onda della radiazione che sta emettendo, gli effetti di superficie dominano. Ma quando un oggetto è piccolo rispetto alla lunghezza d'onda, la radiazione può essere emessa da qualsiasi punto all'interno del suo volume. In tal caso la geometria della particella deve svolgere un ruolo.

Per dimostrare il punto, hanno misurato il calore irradiato da una nanofibra di silicio con un diametro di 500 nm, che è molto più piccolo della lunghezza d'onda della radiazione termica.

Mostrano che questa emissione di calore non può essere descritta dalla legge di Planck, anche quando viene applicato un fattore di correzione.

Invece, Wuttke e Rauschenbeutel modellano accuratamente l'output utilizzando un'altra teoria chiamata elettrodinamica fluttuante, che tiene conto della geometria dell'esperimento.

In effetti, mostrano che l'elettrodinamica fluttuante può modellare accuratamente l'assorbimento di calore e le caratteristiche di emissione dei nano-oggetti, la prima volta che ciò è stato possibile.

Ciò avrà importanti implicazioni per la produzione di dispositivi che emettono calore come le lampade a incandescenza, che potrebbero essere rese molto più efficienti dal punto di vista energetico se la loro emissione di calore fosse controllata più attentamente.

Ma è probabile che l'impatto maggiore sia nella scienza del clima. Questi risultati potrebbero anche portare a una migliore comprensione dell'impatto del particolato, come gli aerosol di polvere minerale dall'erosione del suolo e la fuliggine da fonti di combustione, sul sistema climatico attraverso l'assorbimento e l'emissione di radiazioni solari e termiche, affermano Wuttke e Rauschenbeutel.

Questo nuovo approccio significa che dovrebbe essere possibile elaborare le proprietà termiche delle singole nanoparticelle dai primi principi.

Sarà un processo lungo e complesso, ma dovrebbe essere un elemento fondamentale nei futuri modelli del modo in cui gli aerosol influenzano il clima.

Rif: arxiv.org/abs/1209.0536 : Sondaggio della legge di Planck per un oggetto più sottile della lunghezza d'onda termica

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