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Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo
a cura di Rinaldo Cervellati
la prima parte di questo post è qui
Dopo la generale accettazione della teoria della dissociazione elettrolitica Arrhenius si dedicò allo studio di altri problemi scientifici non strettamente chimici ma che la chimica avrebbe potuto contribuire a definire e possibilmente risolvere, in fisiologia, in geologia, in astronomia, cosmologia fisica e astrofisica.
Qui ci interesseremo in particolare del suo fondamentale contributo al fenomeno dell’aumento dell’effetto serra[1] dovuto a immissioni antropiche di anidride carbonica. Come sua consuetudine egli iniziò questo studio analizzando il lavoro di altri ricercatori, ad esempio quelli del famosissimo matematico e fisico francese Joseph Fourier (1768-1830) considerato lo scopritore dell’effetto serra, ma anche quelli del fisico francese Claude Pouillet (1790-1868) a cui è dovuta la prima misura quantitativa della costante solare e del fisico irlandese John Tyndall (1820-1893) che studiò l’azione dell’energia radiante sui componenti dell’aria. Arrhenius usò le osservazioni infrarosse della luna effettuate all’osservatorio astronomico Allegheny dell’Università di Pittsburgh (Pennsylvania) dai due ricercatori Very e Langley per calcolare l’assorbimento della radiazione infrarossa dell’anidride carbonica e del vapore acqueo contenuti nell’atmosfera. Giunse infine alla formulazione matematica di un’equazione che metteva in relazione la concentrazione relativa di anidride carbonica con la differenza di energia radiante, nota come legge dell’effetto serra di Arrhenius. Combinando questa equazione con la legge di Stefan-Boltzmann ricavò poi l’aumento di temperatura dovuto all’aumento di concentrazione della CO2.
Arrhenius espose i risultati della sua ricerca in una relazione tenuta l’11 dicembre 1895 all’Accademia Reale Svedese delle Scienze, un ampio estratto del suo intervento venne pubblicato in inglese nella rivista britannica Philosophycal Magazine nell’aprile 1896 [3][2]. Contrariamente a quanto si ritiene comunemente, in questo lavoro Arrhenius non suggerisce esplicitamente che l’uso massiccio dei combustibili fossili causa il riscaldamento globale, anche se è chiaro che egli è consapevole del fatto che i combustibili fossili sono una fonte potenzialmente significativa di anidride carbonica [3, p. 270].
L’equazione matematica della legge di Arrhenius sull’aumento dell’effetto serra è: ΔF = αln(C/Co) dove C è la concentrazione di anidride carbonica misurata in ppmv, Co è quella naturalmente contenuta nell’aria, ΔF è la variazione di energia radiante misurata in watts per m2 e α è una costante alla quale fu attribuito un valore fra 5 e 7 [4]. In parole la legge di Arrhenius dell’effetto serra combinata con la Stefan-Boltzmann dice che: se la quantità di anidride carbonica nell’atmosfera incrementa in progressione geometrica, la temperatura al suolo aumenterà in progressione quasi aritmetica.
L’Astronomical Society of the Pacific ripubblicò nel 1897 l’articolo comparso su Philosophical Magazine, con una nota redazionale iniziale in cui viene detto che il lavoro è importante principalmente perché offre una spiegazione semplice della questione irrisolta relativa alla temperatura della Terra nell’epoca preistorica e della causa dell’Era Glaciale[3].
Non v’è comunque dubbio che Arrhenius fu il primo a prevedere che le emissioni di CO2 prodotte dalla combustione dei fossili o da altri processi che producono anidride carbonica avrebbero potuto condurre al riscaldamento globale. Questa previsione fu criticata da Angstrom[4] che, nel 1900, pubblicò risultati sperimentali che sembravano dimostrare che l’assorbimento della radiazione infrarossa del gas in atmosfera era già “saturo” in modo che ulteriori aggiunte non farebbero più alcuna differenza. Arrhenius replicò duramente nel 1901 e 1903 e soprattutto nel 1907 con il libro Worlds in the Making [5], largamente divulgativo, in cui afferma che in base a nuovi calcoli:
“Se la quantità di acido carbonico nell’aria dovesse scendere verso la metà della sua percentuale presente, la temperatura scenderà di circa 4 °, una diminuzione di un quarto ridurrebbe la temperatura di 8 ° D’altra parte, qualsiasi raddoppio della percentuale di anidride carbonica nell’aria potrebbe aumentare la temperatura della superficie terrestre del 4 °, e se l’anidride carbonica fosse quadruplicato, la temperatura aumenterà di 8 ° “. [5, p.53]
Nel libro Worlds in the Making viene descritta in termini comprensibili da tutti la teoria della “serra” (hot-house), oggi “effetto serra”.
Alcune note finali
Arrhenius è stato indubbiamente un personaggio di multiforme ingegno e di multiformi interessi non solo scientifici. E’ stato membro del consiglio della Sweden Society for Racial Hygiene, che approvò le teorie di Mendel nel 1909 e, intorno al 1910 contribuì alla discussione sulla contraccezione (vietata in Svezia fino al 1938). Per le sue idee progressiste fu accusato di ateismo. Negli ultimi anni della sua vita scrisse libri popolari, cercando di sottolineare la necessità di insistere sui temi dell’uguaglianza delle razze e sui contraccettivi.
Bibliografia
[1] Arrhenius S., Proceedings of the Royal Institution, 1904. [i]http://atom.uwaterloo.ca/CHEM/History/arrhenius-lecture.pdf
[2] De Berg, K.C., The Development of the Theory of Electrolitic Dissociation. A Case Study of a Scientific Controversy and the Changing Nature of Chemistry, Science & Education, 2003, 12, 397-419.
[3] Arrhenius, S. On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground, Phil. Mag. Series 5, 1896, 41, 237-276.
[4] Walter, E.M., Earthquakes and Weatherquakes: Mathematics and Climate Change, Notices of the American Mathematical Society, 2010, 57, 1278-1284.
[5] Arrhenius S., Worlds in the Making: the evolution of the universe, Harper, 1908, pp.229. La versione in svedese è del 1806, quella in tedesco è del 1807.
Note.
[1] Notare che ho scritto aumento dell’effetto serra e non semplicemente effetto serra. Infatti, l’effetto serra in condizioni normali è un fenomeno atmosferico-climatico che permette di trattenere nell’atmosfera parte dell’energia solare. Se non ci fosse l’effetto serra saremmo da tempo tutti statue di ghiaccio, il problema sta quindi in un eccessivo aumento di questo effetto che conduce al riscaldamento globale del pianeta.
[2] In tutta la citazione [3] Arrhenius si riferisce al diossido di carbonio come “acido carbonico”, in accordo alla nomenclatura dell’epoca.
[3] Anche questo problema fu studiato da Arrhenius.
[4] Knut Johan Angstrom (1857-1910), fisico svedese, fu il primo a registrare lo spettro infrarosso completo della CO2.
*La traduzione italiana dei brani tratti dalla lecture è dell’autore della presente nota.
La Chimica e la Società 
E’ un fatto ormai accertato sperimentalmente che l’effetto serra, e i problemi ambienti più in generale, stimolano contrapposizioni in ambito scientifico. Si sarebbe potuto pensare che questo fosse una caratteristica “moderna” dovuta, almeno in parte, a un “senso di colpa” represso per come stiamo trattando l’ambiente, ma il fatto che già un secolo fa tali problematiche creassero contrapposizioni fa intuire che probabilmente c’è qualcosa di ancora più profondo e nascosto in questi problemi.
Giovanni Villani
Ma la dimostrazione di Armstrong fu confutata sperimentalmente o solo con un algoritmo che non tiene conto della struttura stereochimica del CO2? In relazione a quest’ultima risulterebbe che essa assorbirebbe solo intorno ai 16.000 nm e ai valori attuali della concentrazione l’effetto serra sarebbe praticamente azzerato dando ragione all’esperimento di Armstrong.