Il vapore acqueo è il gas serra più importante (incide per circa il 95% dei gas serra). Quando il cielo è sereno di sera si ha la sensazione che il calore sfugga e la temperatura scenda; al contrario quando il cielo é nuvoloso il calore viene intrappolato dal vapore acqueo e la temperatura rimane calda. Nel deserto di giorno si hanno temperature elevate mentre di notte le temperature scendono enormemente. Ciò accade per il fatto che nell’aria c’è poco vapore acqueo.
La quantità di vapore acqueo nell’atmosfera assume valori in relazione diretta con la temperatura. Aumentando la temperatura c’è più evaporazione e quindi più acqua diventa vapore. Se un altro fattore interviene nell’aumento della temperatura (ad es. anidride carbonica sviluppata nell’utilizzo di combustibili fossili) più acqua evapora creando vapore acqueo destinato a fornire un feedback positivo ulteriore all’aumento della temperatura. Secondo le teorie più accreditate il feedback del vapore acqueo raddoppia approssimativamente la quantità di riscaldamento causata dall’anidride carbonica.
Essendoci il ciclo idrologico la quantità trattenuta nell’atmosfera di vapore acqueo varia notevolmente nell’ambito di qualche giorno. Se il vapore acqueo è un grande gas serra è anche vero che l’effetto è di breve durata (la stessa cosa non si può dire per l’anidride carbonica che può permanere nell’atmosfera per moltissimi anni).
Il vapore acqueo nella troposfera superiore e nella stratosfera inferiore svolge un ruolo importante nell’equilibrio delle radiazioni planetarie. La molecola del vapore acqueo ha una forma fortemente polare che costituisce un sistema fortemente assorbente nello spettro infrarosso (onde lunghe). Un aumento del vapore acqueo provoca in genere un raffreddamento della bassa stratosfera che è paragonabile al contributo dovuto ai cambiamenti di ozono.
In caso di aumento della temperatura si ha un corrispondente aumento dell’umidità e un ulteriore riscaldamento correlato all’effetto serra ma non è chiaro se il riscaldamento produca più acqua a causa di un’ulteriore evaporazione (quindi con retroazione positiva) o se il conseguente aumento provochi una essicazione (quindi con retroazione negativa). In definitiva, in relazione all’effetto serra e al cambiamento climatico, non è chiaro se il vapor d’acqueo troposferico è controllato dalla termodinamica o dalla dinamica.
Il vapore acqueo atmosferico possiede capacità di assorbimento distribuita su un’ampia gamma dello spettro elettromagnetico. L’acqua nella troposfera è presente sia in forma liquida, sia gassosa che solida. Le concentrazioni di vapore acqueo troposferico sono fortemente dipendenti da dinamica e temperatura. Ricordiamo che le nuvole non sono fatte di vapore acqueo ma sono composte di acqua e/o ghiaccio; il vapore acqueo è trasparente alla maggior parte delle frequenze ottiche. Il fatto che le nuvole siano opache è conseguenza dei molteplici riflessi interni ed esterni dalla superficie di goccioline e/o cristalli di ghiaccio.
Il vapore acqueo è facilmente in condizioni di saturazione nell’atmosfera. Ciò regola la distribuzione del vapore acqueo sia nella troposfera, dove varia fino a quattro ordini di grandezza in un profilo verticale, sia nella stratosfera, dove le variazioni sono molto più piccole ma ancora significative.
Il vapore acqueo è un gas radiativamente attivo. Nella bassa stratosfera si è constatato un aumento negli ultimi decenni non spiegabile completamente ad esempio dal solo fenomeno di ossidazione del metano. Sicuramente trasporto, convezione e nuvole incidono sulla distribuzione del vapore acqueo troposferico superiore ma le loro influenze sono difficili da quantificare. Esiste quindi una certa difficoltà a valutare quali-quantitativamente l’influenza del vapore acqueo sul clima. Il vapore acqueo è circa lo 0,25% della massa dell’atmosfera ma la presenza è fortemente variabile (sono segnalate concentrazioni da 10 ppm in volume nelle regioni fredde o desertiche fino anche al 5% del volume nelle masse d’aria calde e umide). Inoltre il vapore acqueo entra nel ciclo idrologico ed è presente quasi esclusivamente in troposfera e in piccole quantità nella stratosfera. E’ prodotto dall’evaporazione in oceani, mari, laghi e dalla traspirazione delle piante; viene trasferito in atmosfera grazie al rimescolamento turbolento.
In rapporto all’effetto serra, tenuto conto che i cosiddetti gas serra sono presenti in atmosfera in concentrazioni basse, le sollecitazioni indotte dalle attività umane possono incidere in maniera non trascurabile. C’è una dipendenza in qualche modo geografica: nelle umide regioni equatoriali (alto contenuto di vapore acqueo) l’aggiunta contenuta di anidride carbonica o dello stesso vapore acqueo hanno un impatto limitato in termini di effetto serra; nelle regioni fredde regioni polari, quindi con aria secca, piccoli incrementi di CO2 o di vapore acqueo hanno effetti più rilevanti.
La massa molare del vapore acqueo è molto inferiore a quella dell’aria secca (uno strato umido è quindi più leggero di uno strato secco a parità di pressione e temperatura); esiste quindi un “effetto di galleggiamento” nella dinamica dell’atmosfera. Secondo alcuni studiosi l’effetto di galleggiamento del vapore acqueo aumenta la radiazione di onde lunghe in uscita della Terra (effetto radiativo negativo) all’aumentare del riscaldamento influendo quindi sulla stabilizzazione del clima terrestre. Nei climi più caldi la differenza di temperatura tra “colonne” umide e “colonne” asciutte aumenterebbe a causa dell’aumento del vapore acqueo atmosferico portando a un effetto radiativo stabilizzante il clima terrestre (il “ritorno” in termini di energia è stimato nel valore 0,2 W m−2K−1 in atmosfera idealizzata). Vedi fonte (03/2020).
AGGIORNAMENTO 02/01/24 => Il vapore acqueo (H2O) ha una massa molare di 18 grammi/mole, l’azoto (N2) ha una massa molare di 28 g/mol e l’ossigeno (O2) ha una massa molare di 32 g/mol. Il vapore acqueo galleggia e attraverso convenzione nell’atmosfera trasferisce il calore assorbito sulla superficie quando l’acqua evapora (calore latente) alla troposfera superiore dove si condensa in nuvole rilasciando calore sensibile e infine cade sotto forma di pioggia. Il trasferimento della radiazione avviene a tutti i livelli dell’atmosfera ma la convezione è il meccanismo più importante nella troposfera. Mediamente nell’atmosfera il vapore acqueo scende da circa 7750 ppm al livello del mare a circa 4 ppm sopra la tropopausa e quindi l’importanza del vapore acqueo come gas serra diminuisce con l’altitudine. La concentrazione di anidride carbonica al contrario non diminuisce nell’atmosfera.
AGGIORNAMENTO 12/01/2024 => L’IPCC riconosce che il vapore acqueo è il gas serra più importante e abbondante. Ad esempio in un suo rapporto risalente al 2007 cita “… il vapore acqueo è il gas serra più abbondante e importante nell’atmosfera… “. Tuttavia la stessa IPCC ritiene che “.. le attività umane hanno solo una piccola influenza diretta sulla quantità di vapore acqueo atmosferico …”. Secondo IPCC “… la quantità di vapore acqueo nell’atmosfera è controllata principalmente dalla temperatura dell’aria, piuttosto che dalle emissioni. Per questo motivo, gli scienziati lo considerano un agente di feedback (retroazione), piuttosto che una forzante al cambiamento climatico. Le emissioni antropogeniche di vapore acqueo attraverso l’irrigazione o il raffreddamento delle centrali elettriche hanno un impatto trascurabile sul clima globale. … Il contributo del vapore acqueo all’effetto serra naturale rispetto a quello dell’anidride carbonica dipende dal metodo di contabilizzazione, ma può essere considerato circa due o tre volte maggiore. L’IPCC non considera l’effetto del vapore acqueo in termini di “sottrazione” alla bassa atmosfera conseguente alle modifiche antropiche al suolo terrestre (es. a seguito dei processi di urbanizzazione).
