fisica dell atmosfera

Struttura dell’Atmosfera
L’involucro di gas e vapori che segue la Terra nel suo moto di rivoluzione attorno al Sole e che costituisce l’atmosfera si estende per circa 20.000 km in altezza, gradatamente confondendosi con il mezzo interplanetario.

Come per ogni oggetto gassoso non è, pertanto, facile delineare un confine definito, né dividere l’atmosfera in parti ben delimitate.

Per convenzione, si considera limite esterno dell’atmosfera terrestre la distanza alla quale le molecole d’aria cessano di subire la forza di gravità e il campo magnetico terrestre.

Queste condizioni si verificano a circa 60.000 km sull’equatore e a circa 30.000 km sui poli, pur variando grandemente.
Le misure delle grandezze usate per analizzare l’atmosfera (temperatura, pressione, densità, umidità, composizione, flusso di radiazioni) variano molto con la quota.

Tuttavia, si possono identificare zone dell’atmosfera dove questi valori sono costanti o variano molto lentamente. Così si può suddividere l’atmosfera in varie parti sovrapposte, denominate sfere, aventi ognuna caratteristiche particolari più o meno costanti, separate l’una dall’altra da limitate zone di transizione dette “pause”, poste a quote variabili con la latitudine e con le stagioni.

Le pause sono ristretti spessori d’aria dove le grandezze subiscono una brusca variazione. I confini di ciascuno strato di atmosfera sono definiti appunto dal cambio di segno del gradiente termico verticale.

I meccanismi di evaporazione, condensazione, trasporto convettivo, conduzione, assorbimento della radiazione vengono così a definire diverse regioni.

A partire dal suolo, così, si succedono la troposfera, la tropopausa, la stratosfera, la stratopausa, la mesosfera, la mesopausa, la termosfera,l esosfera . Intermedie, ma con caratteristiche particolari, sono la ionosfera e la magnetosfera.

Temperatura
La temperatura non dipende solo dall’apporto energetico dei raggi solari, anche se gli strati più alti e vicini al Sole ricevono maggiore energia. L’andamento reale “medio” della temperatura è dovuto, prima di tutto,al fatto che la maggior parte delle radiazioni (infrarossi) che riscaldano l’aria non proviene dal Sole (la luce solare non è ricca di infrarossi) ma dalla Terra, che riemette a bassa lunghezza d’onda le radiazioni assorbite. Fino ad una certa quota, l’atmosfera è riscaldata “dal basso”.

Inoltre, negli strati d’aria più bassi (troposfera) i gas che provocano l’effetto serra (anidride carbonica, vapore acqueo) impediscono al calore proveniente dal suolo di propagarsi agli strati sovrastanti: la perdita d’energia è lenta e corrisponde alla graduale diminuzione di temperatura registrata fino a 10 km circa (stratosfera).

Qui l’ozono assorbe gli UV ricchi di energia e la temperatura torna a salire fino a circa 50 °C. Nella mesosfera, però, torna a scendere fino a –80°C, a circa 80 km di quota: l’ozono manca, le radiazioni non sono più assorbite e il suolo è troppo distante.

Umidità
L’acqua allo stato liquido è tipica della troposfera, dove la temperatura abbastanza alta permette il ciclo dell’acqua e i passaggi di stato.

Il vapore è presente anche nella stratosfera e nella bassa mesosfera, mentre nella termosfera e nell’esosfera non c’è: i raggi solari scindono le rare molecole d’acqua in ioni di ossigeno e di idrogeno.

Pressione e densità
La pressione e la densità variano in modo piuttosto regolare con l’altitudine, ovvero con l’altezza sul livello del mare, che rappresenta per entrambe il livello di riferimento.

In generale, infatti, la concentrazione delle molecole di gas dell’aria diminuisce con l’altitudine per effetto della gravità: le molecole più
pesanti (acqua, anidride carbonica, inquinanti, etc.) “sedimentano” accumulandosi negli strati più bassi, mentre quelle leggere restano negli strati più alti, ionizzandosi e disperdendosi lentamente nello spazio.
Essendo un gas, poi, l’aria è comprimibile: gli strati più bassi sono tanto più compressi quanto più alto è lo strato sovrastante; le molecole sono più numerose  in basso e più rarefatte in alto, così che a 7 km dal suolo la colonna d’aria sottostante ha già una massa d’aria pari a quella di tutta l’aria degli strati superiori.

Se le molecole sono più vicine fra loro, l’aria ha una densità maggiore: come la pressione, perciò, anche la densità tende a ridursi con l’altezza.
I cambiamenti più bruschi di pressione e di densità si hanno nella troposfera.
Composizione
Gli stessi fenomeni che provocano i cambiamenti di pressione e densità determinano la variazione di composizione dei vari strati: nella troposfera si trovano le molecole più pesanti, il pulviscolo e gli aerosol;
in quelli esterni, invece, si trovano solo molecole molto leggere, spesso ionizzate, di idrogeno ed elio.
Flusso di radiazioni
L’atmosfera non è trasparente alla radiazione solare, e lo spettro a terra è molto diverso da quello negli strati più esterni.

Man mano che attraversano i gas atmosferici, infatti, i raggi sono in parte riflessi nello spazio e in parte assorbiti: solo una minima parte di lunghezze d’onda passa indisturbata. È l’effetto filtro dell’aria.

Ai confini esterni dell’esosfera avviene una prima selezione: tutti i raggi X sono assorbiti dai gas rarefatti. Il filtro successivo si trova nella stratosfera, a 25 km, dove l’ozono assorbe quasi tutti gli UV.

Solo le radiazioni visibili passano inalterate fino alla troposfera e attraversano lo strato più denso: sono in parte riflesse dalle nubi, in parte disperse dal pulviscolo e in parte arrivano al suolo.
Anche fra queste, però, alcune sono riflesse e altre assorbite a seconda del colore e del calore specifico della superficie: le superfici innevate, ad esempio, riflettono più energia e ne assorbono meno rispetto alle superfici scure.
Il bilancio energetico, come vedremo in seguito, quantifica la lunga catena di assorbimenti, riflessioni, rifrazioni, dispersioni, interazioni di particelle e forze elettromagnetiche che disperde nello spazio oltre il 50% dell’energia che arriva dal Sole. Esso ha ricadute immediate sul clima globale e sulla circolazione atmosferica.

Il criterio più seguito e più significativo per descrivere le caratteristiche e la struttura dell’atmosfera è quello di seguire l’andamento della temperatura con la quota, mostrato in Figura .
Una prima suddivisione distingue l’atmosfera in omosfera (dal greco homòs, uguale), alta 90 km, e in eterosfera (dal greco heteròs, diverso), oltre i 90 km: dai dati raccolti sappiamo, infatti, che fino a quest’altezza la composizione dell’aria è quasi uguale a quella rilevata al suolo, anche se la densità diminuisce, mentre più in alto le percentuali dei componenti atmosferici cambiano molto.

La parte dell’atmosfera che più ci interessa è proprio l’omosfera, poiché è qui che avvengono tutti i fenomeni biologici, meteorologici e climatici.

Oltre i 100 km l’aria ha caratteristiche diverse per temperatura, pressione e umidità.

Al di là del convenzionale limite esterno dell’atmosfera (dopo i 1 000 km), la concentrazione di gas è inferiore allo 0,000001% rispetto a quella misurata al suolo. In particolare, la meteorologia s’interessa quasi esclusivamente ai fenomeni che si manifestano nella troposfera e nella prima parte della stratosfera, fino a circa 30 km sul livello del mare: uno strato che contiene il 99% della massa atmosferica totale.
Lo strato più basso di atmosfera, quindi a contatto con il suolo, e perciò anche più denso, è la troposfera dal greco trópos = mutamento, a ricordare che questa è la “sfera dei cambiamenti”, il regno delle più vaste perturbazioni meteorologiche e della vita.

La troposfera si estende fino ad un’altezza media di 10-12 km e nello spessore, in particolare, è più sottile ai poli (6-8 km) che ai tropici (16-18 km); ciò è dovuto al fatto che aria più calda occupa un volume maggiore rispetto alla stessa quantità d’aria a temperatura inferiore.
Essa contiene il 90% dell’intera massa gassosa dell’atmosfera e quasi tutto il vapore acqueo, assorbendo così una notevole parte della riemissione terrestre.

La troposfera è, dunque, scaldata principalmente dalla terra e, qui, si registrano quindi i più alti valori di pressione e di densità.

La temperatura è decrescente con l’altitudine, in media di circa 0,6 °C per km (gradiente negativo), anche perché volumetti d’aria a maggiore altitudine sono sottoposti a minore pressione e possono espandersi a scapito dell’energia interna.
Nella troposfera la temperatura varia da 15 °C a –70 °C. Poiché al livello del mare la temperatura media dell’aria si aggira intorno ai 25 °C nelle regioni equatoriali ed intorno ai –10 °C nelle regioni polari e dato che lo spessore della troposfera è maggiore sulle prime (17 km) che sulle seconde (8 km), ne deriva che al limite superiore della troposfera si raggiungono temperature più basse in corrispondenza dell’Equatore (-70 °C) che in corrispondenza dei poli (-45 °C).
Nella troposfera, le variazioni stagionali sono piccole alle basse latitudini ed aumentano alle grandi latitudini.
La troposfera è caratterizzata dalla presenza di movimenti orizzontali e verticali di masse d’aria, legati essenzialmente alla rotazione terrestre e alla tendenza verso gli equilibri termici.

L’intensità delle correnti aeree in genere cresce con l’altezza, raggiungendo il massimo verso la tropopausa; il loro trasporto orizzontale provoca moti turbolenti che producono un continuo rimescolamento dell’aria troposferica.

A causa dei moti verticali ascendenti e discendenti delle masse d’aria, si formano e si dissolvono le nubi e si hanno le precipitazioni e le tempeste.
Al suo confine superiore vi è la tropopausa, dove il gradiente verticale di temperatura cessa di diminuire con la quota e muta nettamente il suo andamento, iniziando ad aumentare fino alla stratopausa.

In realtà, nella tropopausa vi sono parecchie “inversioni” del gradiente termico ed anche delle “sacche isoterme” (a temperatura costante) sovrapposte, continuamente disperse e rinnovate dai movimenti verticali dell’aria.
La tropopausa ha, invece, altezze diverse a seconda della latitudine, della stagione e dell’attività climatica e presenta, inoltre, grandi fratture (salti di altitudine) mediamente verso i 30 e i 60 gradi di latitudine.
La sua altezza oscilla dai 6 ÷ 8 km sulle calotte polari (tropopausa polare, con una T media prossima ai –62°C), ai 10 ÷ 12 km alle latitudini dai 60 ai 30 gradi (tropopausa intermedia o subtropicale, con una T media prossima ai –56,5°C) e, infine, è intorno ai 16 ÷ 18 km sulla zona intertropicale (tropopausa equatoriale, con una T media prossima ai –74°C).
La stratosfera è quello strato d’atmosfera stratificata, che si estende al di sopra della tropopausa fino ad un’altezza di circa 40-50 km, e ha composizione pressoché analoga allo strato precedente, ma la pressione è minima, bassa la densità e, quindi, i componenti gassosi si presentano sempre più rarefatti.

La stratosfera contiene il 9.5% di tutta la massa gassosa dell’atmosfera. Il vapore acqueo ed il pulviscolo atmo sferico diminuiscono rapidamente con la quota e non si verificano processi di formazione nuvolosa connessi con precipitazioni.

La stratosfera è contraddistinta anche da assenza di moti turbolenti e dalla presenza di venti regolari e impetuosi che possono raggiungere i 200 km/h.
Sopra la tropopausa, generalmente, la temperatura aumenta con la quota fino a 50 – 55 km, meno rapidamente nella porzione inferiore e più rapidamente in quella superiore.
La temperatura è approssimativamente costante per i primi 15 km, con valori prossimi a quelli della tropopausa, oltre i quali si innalza fino a raggiungere in media la temperatura di poco più di 0°C.

Esiste, quindi, un gradiente positivo di temperatura. Le ragioni di tale gradiente sono le seguenti.

La stratosfera è essenzialmente scaldata dalla radiazione solare assai ricca di raggi ultravioletti. A questa fascia dell’atmosfera, dove si ha la massima concentrazione di ozono e di ossigeno atomico e, quindi, un grande assorbimento di ultravioletto, si è dato il nome di ozonosfera.

Infatti, i raggi ultravioletti presenti nella radiazione solare sono particolarmente energici e separano la molecola di ossigeno così che l’ossigeno atomico (O) si combina con l’ossigeno molecolare (O2) formando ozono (O + O2 = O3).

Le condizioni ottimali si verificano a circa 25 km: più in alto l’ossigeno è troppo rarefatto, più in basso la radiazione è insufficiente.

L’ozono formato dai raggi ultravioletti è, infatti, in grado di assorbire efficacemente i raggi ultravioletti medesimi e quindi agli strati inferiori della stratosfera arriva una radiazione solare meno energetica: ecco perché la temperatura della stratosfera va diminuendo al diminuire della quota.
Verso i 50 km, la stratosfera termina con una superficie di discontinuità chiamata stratopausa, caratterizzata dalla rapida diminuzione di temperatura.
Sopra la stratopausa, la temperatura diminuisce con l’altezza, perché la concentrazione di ozono è così bassa che non è in grado di trattenere molti raggi ultravioletti, e raggiunge valori molto bassi a 80-85 km.
Questa regione, di temperatura decrescente con l’altezza è la mesosfera, e la sua sommità mesopausa, superficie di discontinuità caratterizzata da un brusco aumento di temperatura.

La mesosfera è spessa circa 30 km e contiene meno dell’1% della massa atmosferica.

Nella mesosfera, infatti, i gas atmosferici sono ormai estremamente rarefatti, con prevalenza di quelli più leggeri (idrogeno, elio) e totale assenza di vapore acqueo.La pressione scende a valori bassissimi.

Nella parte più bassa esiste ancora ozono, ma in seguito la rarefazione dell’aria interessa tutto lo strato.

La mancanza di ozono o altri gas che assorbono le radiazioni più energetiche impedisce il riscaldamento diretto da parte del Sole; la lontananza dal suolo impedisce il riscaldamento da parte della Terra e ciò si traduce in una diminuzione di temperatura all’aumentare della quota.

La radiazione solare non filtrata è intensa. La mesosfera è la zona in cui bruciano i piccoli meteoriti che colpiscono la nostra terra. Sugli 80 km s.l.m. sono stati osservati venti velocissimi anche di 300 km/h.
Quindi la temperatura aumenta di nuovo con l’altezza e questa è la termosfera, che si estende da 80- 100 km a circa 1000 km di altezza.

È la parte più esterna dell’atmosfera, che giunge a confondersi con lo spazio.

Qui si ha un rapido incremento di temperatura, per effetto del forte assorbimento della radiazione X e di altre radiazioni mortali, specie da molecole di ossigeno, che altrimenti colpirebbero la terra.

Si tratta di radiazioni con frequenze ancora più alte dei raggi ultravioletti, e quindi ancora più energetiche.
Gli strati più esterni della termosfera sono molto caldi ma l’aria è così rarefatta che il calore trattenuto non ha alcun effetto sul clima della Terra.

La densità dei gas è, infatti, sempre più bassa e la sua composizione è radicalmente diversa rispetto agli strati d’aria sottostanti: idrogeno ed elio sono presenti in percentuali sempre più alte; ossigeno, vapore, ozono scompaiono quasi del tutto.

I venti e i moti turbolenti sono assenti, il che dà alla termosfera una struttura stratificata.
La termosfera è fortemente ionizzata (forte accelerazione di tutte le molecole di ossigeno e azoto, per effetto della radiazione); per questa ragione le onde radio vengono riflesse da questa regione atmosferica
permettendo così le comunicazioni radio tra ogni parte del globo.

L’esosfera si estende sopra la termosfera ma non esiste un vero limite fra loro.

A partire da circa 1000 km, essa comprende quel poco d’aria che sfuma nel mezzo interstellare.

L’esosfera è lo strato più esterno dell’atmosfera, caratterizzata da una temperatura cinetica superiore ai 2000°C. 

L’aria è estremamente rarefatta e le particelle gassose, non essendo più attratte dalla forza di gravità terrestre, non partecipano alla rotazione del pianeta.

Le sue caratteristiche sono simili a quelle della termosfera: densità estremamente bassa dei gas, la pressione atmosferica è nulla e la temperatura è elevata.

La composizione dell’esosfera è radicalmente diversa rispetto agli altri strati (sono presenti quasi solo idrogeno ed elio), con un’altissima percentuale di particelle ionizzate.

Oltre i 1000 km le particelle di gas sono così rarefatte che, pur movendosi in modo caotico e velocissimo (oltre 2000 °C) è difficile che si scontrino. Pertanto, al di sopra dei 1000 km, essendo le collisioni molecolari così infrequenti , il concetto di temperatura è difficile da definire, proprio perché legato alle collisioni molecolari stesse.

La “frangia dell’atmosfera” è la regione dove si annullano gli effetti del campo gravitazionale e le particelle di gas non partecipano più alla rotazione  r; si considera estesa fino a 2000-2500 km s.l.m., ma è un limite convenzionale.

Alcuni studi hanno, infatti, indicato che l’atmosfera non è sferica ma si allunga soprattutto nei suoi strati superiori a formare una “coda” in direzione opposta a quella del Sole (magnetosfera).

Le altre due sfere esistenti, sovrapposte alle ultime due, sono la ionosfera e la magnetosfera.
La ionosfera è lo strato situato al di sopra dei 60 km di quota frutto, principalmente, dell’interazione tra la radiazione solare (UV e raggi X) e l’atmosfera terrestre.

le molecole dei gas atmosferici (ioni, particelle dotate di cariche elettriche), presenti in un numero grandissimo, vengono ionizzate o dissociate dalle radiazioni X ed ultraviolette solari e dai raggi cosmici, ma lo strato è elettricamente neutro, perché le cariche di segno opposto si equivalgono.

Virtualmente, tutta la radiazione ionizzante del sole è assorbita a livelli al di sopra dei 60 km.
Il fenomeno interessa soprattutto la termosfera, che perciò spesso viene denominata anche ionosfera, ma in realtà si manifesta già nella mesosfera e non ha neanche un limite superiore.

Esistono anche altri processi fisici nettamente differenti, che contribuiscono alla produzione degli atomi con carica elettrica:
• i raggi cosmici ad alta energia, emanando dal sole e da fonti al di fuori del sistema solare, penetrano negli strati più bassi dell’atmosfera dove lasciano tracce di molecole d’aria ionizzate;
• sopra le zone emerse, la decomposizione radioattiva delle sostanze che si trovano all’interno della crosta terrestre forniscono una fonte addizionale di ioni;
• le cariche elettriche possono essere separate all’interno delle nubi.
Nonostante l’estrema rarefazione della massa atmosferica, la ionosfera avvolge la Terra come un’autentica cappa protettiva e ad essa si deve la sopravvivenza degli organismi viventi.
Ad un’altezza di circa 500 km si trova il cosiddetto livello critico, oltre il quale le particelle gassose dall’atmosfera, se hanno una velocità di fuga sufficientemente elevata, possono abbandonare la Terra.