Il Sole è la fonte primaria di energia per il sistema climatico della Terra.

L’energia del Sole guida il sistema climatico

Il sole riscalda il pianeta, guida il ciclo idrologico e rende possibile la vita sulla Terra. La quantità di luce solare ricevuta sulla superficie terrestre è influenzata dalla riflettività della superficie, dall’angolo del sole, dalla potenza del sole e dalle variazioni cicliche dell’orbita terrestre intorno al sole.

La scienza di base dell’energia solare e il ruolo che svolge per il clima della Terra possono essere compresi dagli studenti della scuola media, ma la complessità del bilancio energetico della Terra rimane un’area di ricerca scientifica attiva. Quindi, questo argomento è sia elementare che complesso.

Questo principio è collegato al Principio di alfabetizzazione energetica 2: I processi fisici sulla Terra sono il risultato del flusso di energia attraverso il sistema Terra.

Mostra agli studenti la meccanica di base del sistema climatico

Comprendere il ruolo della radiazione solare nel sistema climatico della Terra può aiutarci ad afferrare concetti importanti come:

Le cause delle stagioni.

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Questa figura mostra l’inclinazione dell’asse terrestre, che causa le stagioni. (Nota: Distanza e diametro NON in scala.)

Le stagioni sono causate dall’inclinazione dell’asse terrestre. L’asse inclinato significa che le parti nord e sud della Terra non ricevono la stessa quantità di radiazione solare (energia per unità di superficie). Quando l’emisfero meridionale è inclinato verso il sole, è estate nell’emisfero meridionale e inverno nell’emisfero settentrionale. (Principio 1c)

Le ragioni per cui si verificano le ere glaciali.

Le ere glaciali sono state causate da cambiamenti nella distribuzione della radiazione solare ricevuta sulla superficie terrestre. Il percorso dell’orbita terrestre non è costante. Le variazioni nel percorso orbitale della Terra fanno sì che la radiazione solare che raggiunge qualsiasi punto della superficie terrestre cambi. (Principio 1d)

Come la quantità di energia emessa dal sole (luminosità del sole) cambia nel tempo.

La produzione del sole non è costante. La sua luminosità (energia totale emessa dal sole) è aumentata nel corso del tempo geologico, e varia leggermente su scale temporali più brevi.

Perché il recente riscaldamento del clima non è stato causato da aumenti nella produzione di energia del sole.

La produzione di energia del sole non è cambiata abbastanza negli ultimi decenni per spiegare gli aumenti delle temperature che sono stati osservati in questo stesso periodo. (Principio 1e)

La maggior parte delle forme di energia che gli esseri umani usano derivano dall’energia solare.

Molte forme di energia che gli esseri umani usano derivano in definitiva dalla radiazione solare, come il cibo, gli idrocarburi (come il petrolio e il gas naturale), l’energia eolica, l’energia idroelettrica, e naturalmente l’energia solare.

Aiutare gli studenti a capire queste idee

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Questa figura mostra una visione di 1.000.000 di anni delle variazioni dell’orbita terrestre (chiamate cicli di Milankovitch), e il conseguente effetto sul forcing solare. La curva in basso mostra i cicli delle recenti ere glaciali.

In molti programmi e standard di educazione scientifica, il ruolo del sole nel fornire energia al sistema Terra è incluso, ma spesso in modo disarticolato. Le stagioni e la loro importanza nel guidare i modelli meteorologici stagionali e la migrazione degli animali possono essere insegnati nella scuola primaria e poi non rivisitati per molti anni, se non del tutto.

Inoltre, gli studenti di tutte le età, compresi gli studenti universitari e gli adulti, hanno difficoltà a capire cosa causa le stagioni. Oltre all’inclinazione assiale, i fattori che entrano in gioco nei modelli mentali delle persone includono la convinzione che la Terra orbiti intorno al sole in un percorso ellittico allungato; la confusione sulla dimensione relativa, il movimento e la distanza della terra dal sole; come viaggia la luce; la lunghezza della rivoluzione della Terra intorno al sole; e anche il periodo di rotazione. Una strategia per mitigare questo comune malinteso è quella di assicurare che le “ragioni delle stagioni” siano adeguatamente affrontate nella scuola superiore, quando gli studenti hanno un background sufficiente in geometria e fisica per afferrare i concetti (McCaffrey & Buhr, 2008).

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La quantità di energia solare ricevuta dalla Terra ha seguito il ciclo naturale di 11 anni del Sole con piccoli alti e bassi senza alcun aumento netto dagli anni ’50. Nello stesso periodo, la temperatura globale è aumentata notevolmente. È quindi estremamente improbabile che il Sole abbia causato la tendenza al riscaldamento della temperatura globale osservata nell’ultimo mezzo secolo. Immagine dalla NASA.

Un malinteso persistente è che il nostro recente riscaldamento del clima sia dovuto a cambiamenti nell’energia in entrata del sole, piuttosto che all’aumento delle emissioni di gas serra. Questo può essere affrontato esaminando le registrazioni della produzione solare e confrontandole con le registrazioni della temperatura globale. I dati mostrano chiaramente che l’irraggiamento solare non è correlato alla temperatura della Terra.

Eccellenti spiegazioni per questo possono essere trovate su Skeptical Science: Sole e clima: Moving in Opposite Directions e con un grafico di Bloomberg: What’s Really Warming the World? Questo grafico accattivante è fatto con i dati della NASA e i risultati dei modelli.

Portare queste idee nella tua classe

La radiazione solare è l’energia fondamentale che guida il nostro sistema climatico, e quasi tutti i processi climatici e biologici sulla Terra dipendono dall’input solare. L’energia del sole è essenziale per molti processi sulla Terra, incluso il riscaldamento della superficie, l’evaporazione, la fotosintesi e la circolazione atmosferica. Quindi, esaminare come il sole alimenta diversi processi sulla Terra può essere una parte di molti tipi di corsi di scienze. Molti dei concetti scientifici relativi a questo principio possono essere affrontati incoraggiando le osservazioni stagionali, partecipando a programmi di citizen science con gli studenti (come GLOBE), e rivisitando periodicamente le basi di come la quantità e l’intensità dell’energia solare influenza il clima della Terra.

I modi in cui l’energia del Sole guida il sistema climatico possono essere insegnati da un livello molto elementare in su attraverso gli approcci scientifici più sofisticati.

Integrare le soluzioni – I concetti scientifici che si riferiscono alla radiazione solare possono essere ampliati per includere l’ingegneria e la tecnologia dell’energia solare, compresi i forni solari, la progettazione solare passiva, l’energia termica solare e l’elettricità solare. Questo può aiutare ad aumentare la consapevolezza delle alternative all’uso dei combustibili fossili e creare un forum di discussione sulle soluzioni al cambiamento climatico che la nostra società può adottare.

Materiali didattici dalla collezione CLEAN

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Questa figura mostra come il ghiaccio bianco riflette la luce del sole mentre l’acqua oceanica più scura assorbe la luce del sole. Questo è chiamato albedo, o riflettività.

Scuola media

• Globes e altri modelli fisici possono essere usati per mostrare l’inclinazione dell’asse terrestre e come questo influenzi la distribuzione della luce solare durante le diverse stagioni, come in My Angle on Cooling: Effects of Distance and Inclination.
• Introduzione al clima terrestre – Questa lezione è un’introduzione al clima terrestre e copre i principi chiave riguardanti il clima unico della Terra, l’atmosfera e le differenze climatiche regionali e temporali.
• Ti senti avventuroso? Amazing Albedo è un’attività pratica che comporta la misurazione della temperatura di diverse superfici colorate.

Liceo

• Il clima: A Balancing Act applet permette agli studenti di regolare i parametri che influenzano il bilancio energetico della Terra: la radiazione solare in entrata, l’effetto albedo, l’effetto serra e la radiazione in uscita.
• Gli studenti possono imparare come i cicli orbitali e le ere glaciali siano ben correlati con il Milankovitch Cycles Climate Applet.
• Questo strumento di visualizzazione Seasons Interactive può diventare la base per l’esplorazione aperta di come la radiazione solare varia con il luogo e la stagione.
• The Solar Influence: Climate Change video della National Academies può aiutare a rafforzare l’evidenza che l’attività solare non sta causando il riscaldamento globale.

College

• Il bilancio termico della Terra è un’attività di laboratorio pratica che indaga gli effetti della distanza e dell’angolo sull’ingresso della radiazione solare, l’albedo, la capacità termica della terra e dell’acqua, e come questi causino le stagioni.
• Il Laboratorio dei Movimenti del Sole usa un simulatore animato per permettere agli studenti di manipolare le variabili per capire il movimento apparente del sole nel cielo.
• Osservare i cambiamenti nell’orbita terrestre che contribuiscono al cambiamento climatico – Questa visualizzazione animata dei cicli di Milankovitch può preparare il terreno per discussioni più avanzate sui fattori di forzatura del clima.
• Un approccio quantitativo può essere usato con questa introduzione passo dopo passo a un semplice modello STELLA: Modeling Earth’s Energy Balance.
• Modeling Early Earth Climate with GEEBITT aiuta gli studenti a familiarizzare con i processi fisici che hanno reso il primo clima della Terra così diverso da quello attuale.