L'effetto serra fa parte dei complessi meccanismi di regolazione dell'equilibrio termico della Terra e si realizza grazie alla presenza di un'atmosfera che circonda il pianeta e che contiene alcuni gas detti appunto gas serra. Questi gas hanno particolari proprietà molecolari grazie alle quali risultano trasparenti alla radiazione solare entrante ad onda corta, mentre risultano opachi alla radiazione ad onda lunga riemessa dalla superficie terrestre in seguito al riscaldamento dovuto ai raggi solari.

Quello che viene spesso citato come "il problema dell'effetto serra" è dunque in realtà un fenomeno naturale, presente da sempre sulla Terra: senza l'effetto serra la temperatura del globo sarebbe in media 30 gradi più fredda ed oscillerebbe intorno ai -18° C.
Il nome 'effetto serra' deriva dall'analogia -un po' impropria- con quanto avviene, appunto, in una serra: i raggi solari a corta lunghezza d'onda penetrano facilmente nell'atmosfera e raggiungono la superficie della Terra: qui vengono in parte riflessi ed in parte assorbiti e convertiti in calore, dissipato a sua volta verso l'atmosfera sotto forma di irraggiamento infrarosso.
La presenza dei gas serra, opachi alle radiazioni infrarosse, comporta la non totale dispersione dell'energia termica e quindi l'innalzamento della temperatura sulla Terra.

La presenza antropica sul pianeta, generando emissioni di gas inquinanti (i cosiddetti gas serra), a causa della crescente combustione di fonti fossili, ed operando una dissennata deforestazione, è in parte intervenuta a modificare questo equilibrio. In sostanza i gas serra presenti nell'atmosfera sono aumentati, innalzando l'effetto serra complessivo del pianeta.

In realtà l'effetto serra non è un fenomeno unico, determinato esclusivamente dalla maggiore o minore presenza di gas serra, bensì un fenomeno che raggruppa vari fattori (locali o globali, di breve o lunga durata) che fanno variare il contenuto di vapore acqueo, CO2 e metano nell'atmosfera. In pratica un'atmosfera con un più alto contenuto di vapore acqueo, con maggior presenza di CO2 o metano, esercita un effetto serra maggiore rispetto ad un'atmosfera meno umida e contenente un minor quantitativo di questi gas.

L'alterazione della presenza di gas serra nell'atmosfera genera dunque uno squilibrio nella capacità naturale della terra di mantenere la sua regolazione termica, sebbene di per sé l'aumento o la diminuzione dell'effetto serra (ovvero della capacità dell'atmosfera terrestre di rilasciare o trattenere l'irradiazione solare sotto forma di energia termica) non sia direttamente causa di un innalzamento o abbassamento della temperatura sulla Terra, poiché i fattori che influenzano la temperatura sono a loro volta molti e non tutti interni all'atmosfera (tra quelli esterni, ad esempio, evaporazione dei mari, respirazione vegetale e animale...).
Al fine di mantenere una situazione di equilibrio termico complessivo tutti i diversi fattori partecipano: ciascuna variazione a livello locale (piogge, annuvolamenti, correnti oceaniche, evaporazione, venti...), di breve o di lunga durata, contribuisce a mantenere il sistema in equilibrio.

Quando si parla di aumento o diminuzione dell'effetto serra (e al "problema effetto serra" sopra citato) ci si riferisce in realtà alla tendenza di tutti questi fattori a trovare un equilibrio globale diverso da quello precedente, per cui l'effetto serra complessivo del pianeta, ovvero la sua capacità di trattenere calore, aumenta o diminuisce e la temperatura media del pianeta varia di conseguenza.

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