Il monitoraggio dei gas serra ha principalmente lo scopo di tenere sotto controllo le concentrazioni di quei gas che assumono un ruolo determinante nell’equilibrio radiativo del nostro pianeta provocando il cosiddetto effetto serra. L’effetto serra è un fenomeno naturale prodotto dai processi combinati di assorbimento ed emissione della radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre e dall’atmosfera. Questi processi sono principalmente dovuti ai gas atmosferici che presentano forti bande di assorbimento per le lunghezze d’onda poste nella finestra da 5 a 20 µm. I gas responsabili dell’effetto serra sono: il vapore acqueo (H₂O), l’anidride carbonica (CO₂), il metano (CH₄), il protossido di azoto (N₂O), l’ozono (O₃), i clorofluorocarburi (CFC) e i loro sostituti (idroclorofluorocarburi HCFC e idrofluorocarburi HFC), i perfluorocarburi (PFC) e l’esafluoruro di zolfo (SF₆). Questi gas serra possiedono, infatti, bande di assorbimento di tipo vibro-rotazionale che permettono di assorbire, e successivamente emettere, la radiazione infrarossa creando una sorta di filtro alla fuoriuscita della radiazione emessa dalla Terra e dalla sua atmosfera. Questo fenomeno naturale di intrappolamento della radiazione infrarossa prende il nome di “effetto serra”.

E’, pertanto, risaputo quali sono i gas responsabili dell’effetto serra ed è altrettanto noto  che la loro concentrazione in atmosfera, soprattutto di quelli antropogenici, risulta in lento ma continuo aumento a partire dall’epoca preindustriale. A tal riguardo basti pensare alle emissioni di CO₂ ascrivibili al Sistema Elettrico che rappresentano circa un quarto dell’emissioni nazionali. Tra le stazioni operative nella rete internazionale vi sono le tre stazioni italiane di Plateau Rosa (ERSE, già CESI RICERCA); Lampedusa (ENEA) e Monte Cimone (A.M., CNR-ISAC, Università di Urbino). La stazione del Plateau Rosa è in funzione sin dagli anni ’90,  ospitata nel laboratorio Testa Grigia dell’INAF-IFSI di Torino. Anche la stazione del ERSE, riscontra un lento e sistematico aumento dei valori di concentrazione di questo importante gas serra. Il trend di aumento, su circa 16 anni di misure in continuo (dal 1993 al 2008), corrisponde a poco meno di 2 ppm all’anno (grafico).

La stagionalità che si evince è dovuta ai processi di fotosintesi,  particolarmente attivi a partire dall’inizio della primavera sino alla fine dell’estate, che producono una modulazione tipica con valori minimi in estate e massimi all’inizio della primavera. L’ampiezza del ciclo aumenta al crescere della latitudine, soprattutto nell’emisfero boreale, mentre assume valori minimi nell’emisfero australe a causa della  minor presenza di sorgenti antropiche e della presenza degli oceani. A seguito di misure fatte sulle piccole quantità d’aria intrappolate nei ghiacciai Antartici si è stabilito che gli attuali livelli di concentrazione sono i più elevati  degli ultimi 600.000 anni.

In sostanza il clima è il risultato dello stato di equilibrio radiativo tra il flusso totale di energia entrante nel nostro pianeta, che è quasi totalmente rappresentato dall’energia solare (soprattutto radiazione visibile), ed il flusso totale di energia uscente dal nostro pianeta, rappresentato dalla radiazione solare riflessa verso lo spazio esterno e dalla radiazione emessa dalla superficie terrestre e dall’atmosfera (soprattutto radiazione infrarossa). La variazione della composizione dell’atmosfera, con l’aumento dei gas serra, produce una maggiore capacità di intrappolare la radiazione (infrarossa) emessa dalla superficie terrestre e dall’atmosfera, con un aumento, dunque, dell’effetto serra.

Il monitoraggio regolare o continuo dei gas serra ha il doppio scopo di fornire dati per lo studio del ciclo atmosferico, e del bilancio complessivo, cui sono soggetti questi gas sia a livello stagionale che annuale e di documentare il loro graduale aumento determinato dalle attività umane. Dalla conoscenza dei cicli di trasformazione e delle attuali concentrazioni in aria è possibile fare previsioni sulle future concentrazioni atmosferiche di questi gas in funzione di vari scenari di emissione antropica e naturale. Pertanto lo scopo finale del monitoraggio è anche quello di rendere possibile una valutazione delle conseguenze ambientali a larga scala e a lungo termine prodotte dall’attività antropica.
La previsione delle concentrazioni future di un gas serra viene fatta mediante dei modelli che simulano i vari processi di emissione e rimozione a cui è soggetto. Il principale test dell’accuratezza di un tale modello è rappresentato dalla sua capacità di riprodurre le caratteristiche della distribuzione atmosferica del gas (variazioni latitudinali della concentrazione media, dipendenza latitudinale delle variazioni stagionali, se queste esistono, l’incremento globale annuo, e anche la dipendenza temporale della concentrazione in una particolare località) che sono state osservate attraverso il monitoraggio. Da queste considerazioni risulta evidente l’importanza di un sistema di monitoraggio globale che possa fornire informazioni precise ed accurate sulla distribuzione delle concentrazioni atmosferiche dei vari gas serra con una sempre maggiore risoluzione spaziale e continuità temporale.

Un sistema di monitoraggio di tali dimensioni può essere ottenuto soltanto grazie alla collaborazione internazionale di diverse organizzazioni di ricerca. Attualmente, infatti, sono sempre più i laboratori nel mondo che si occupano di monitorare i diversi gas serra, dedicando molta attenzione alla metodologia delle misure e alle procedure di taratura della strumentazione. L’obiettivo è quello di raccogliere quante più misure possibili provenienti da differenti laboratori per costituire un database globale disponibile ed affidabile per la comunità scientifica, ponendo parecchia attenzione in merito alla comparabilità dei dati eseguendo diversi test di interconfronto tra i vari laboratori della rete di misura internazionale.