07 atmosfera, Dispense di Scienze della Terra

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Dinamica dell’atmosfera

L’atmosfera e le sue caratteristiche

chimico-fisiche

Atmosfera

È un involucro gassoso che circonda la Terra, è trattenuto dalla

forza di gravità e non è inerte :

interagisce con biosfera, litosfera, idrosfera

assorbe e distribuisce il calore solare,

filtra e scherma le radiazioni solari ad alta energia,

partecipa al ciclo idrologico,

partecipa ai processi di modellamento della crosta terrestre.

 azoto (N

2

) = il più abbondante, poco reattivo tanto da attenuare l’azione ossidante

dell’ossigeno, fondamentale per la vita degli organismi. Viene fissato esclusivamente da

batteri azotofissatori (simbionti delle leguminose e nitrobatteri), poi è organicato dalle

piante nella sintesi di proteine ed acidi nucleici e trasformato da erbivori e consumatori fino

ad arrivare a batteri denitrificanti che liberano di nuovo N

2

nell’atmosfera.

 ossigeno O

2

= prevale nella bassa atmosfera, è altamente reattivo: interagisce

chimicamente con la litosfera (ossidazione) e con la biosfera (combustione). È prodotto dai

vegetali (terrestri e marini) durante il processo di fotosintesi clorofilliana ed è consumato

dagli organismi animali e vegetali durante la respirazione cellulare.

 ozono O

3

= prevale nell’alta atmosfera tra 15 e 50 km di quota e protegge la superficie

terrestre dalle radiazioni UV provenienti dal Sole.

 biossido di carbonio (CO

2

) = al contrarro dell’ossigeno, è consumato dai vegetali

(terrestri e marini) durante il processo di fotosintesi clorofilliana ed è prodotto dagli

organismi animali e vegetali durante la respirazione cellulare. Inoltre, si libera nei processi

putrefattivi, durante la combustione di sostanze organiche, da vulcani e sorgenti minerali.

Più solubile in acqua di azoto e ossigeno, è in parte immagazzinato nella idrosfera.

Influenza la temperatura dell’aria al suolo (lascia passare le radiazioni solari molto

energetiche, ma trattiene l’infrarosso irradiato dalla superficie terrestre = effetto serra.)

Composizione chimica dell’Atmosfera

 vapore acqueo = prevalente nella bassa atmosfera e derivato dall’evaporazione

delle acque superficiali continentali e oceaniche è responsabile della formazione

delle nubi e delle precipitazioni e interviene nella maggior parte dei fenomeni

atmosferici. Può essere emesso dai vulcani e rilasciato durante la respirazione e la

traspirazione dagli organismi.

 pulviscolo atmosferico = prevalente nella bassa atmosfera derivato dalla

superficie terrestre e costituito da particelle microscopiche di origine biologica

(polline, spore fungine, batteri) e di origine minerale (sabbie e polveri vulcaniche,

meteoritiche e cosmiche). Le correnti di aria ascendenti possono trascinare il

pulviscolo atmosferico a grandi altezze dove agisce da centro di condensazione

del vapore acqueo con un ruolo fondamentale nella formazione di nubi e nebbia.

LE ATTIVITÀ UMANE CONTRIBUISCONO ENORMEMENTE

ALL’AUMENTO O ALLA DIMINUZIONE DEI COMPONENTI DELL’ARIA

CON GRAVE RISCHIO DI ALTERAZIONE DELL’EQUILIBRIO DINAMICO

STABILITO DURANTE LA STORIA DELLA TERRA.

Composizione chimica dell’Atmosfera

Struttura dell’atmosfera

L’atmosfera è suddivisa in zone concentriche, separate da

superfici di discontinuità dette pause, in base alla variazione di

una importante proprietà fisica dell’atmosfera: la temperatura.

troposfera e relativa tropopausa   da 0 a 20 km;

stratosfera e relativa stratopausa   da 20 a 50 km;

mesosfera e relativa mesopausa   da 50 a 80 km;

termosfera relativa termopausa   da 80 a 600 km;

esosfera  oltre 600 km composta da particelle che possono

sfuggire al campo gravitazionale terrestre

magnetosfera  oltre la zona più esterna dell’atmosfera.

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Terra

Suddivisione e struttura

dell’atmosfera

L’atmosfera terrestre non ha

caratteristiche omogenee per tutto

il suo spessore: essa presenta una

successione di parti, o sfere, con

composizioni, temperature e densità

diverse.

Struttura dell’atmosfera

Stratosfera gas più rarefatti, tracce di vapor acqueo e nubi sottili dette

madreperlacee.

In questo strato la temperatura, a partire dai valori molto bassi raggiunti nella

troposfera, aumenta con l’altitudine prima lentamente e poi rapidamente fino ad un

massimo di 10-15°C, dove si situa la stratopausa.

La causa del rapido aumento di temperatura è l’assorbimento dei raggi UV da parte

di uno strato di ozono che ha la sua massima densità a circa 30 km di quota e libera

energia termica riscaldando i gas della stratosfera.

L’ozono deriva da una reazione fotochimica innescata dagli UV stessi, che scindono

l’ossigeno molecolare (O

2

biatomico) in ossigeno atomico (2O) il quale, dotato di

elevata reattività, reagisce rapidamente con ossigeno molecolare dando ossigeno

triatomico (O

3

). L’ozono è a sua volta instabile e si scinde nei reagenti che lo

producono (O + O

2

), determinando un equilibrio dinamico tra formazione e

distruzione di ozono.

Poiché questo strato di atmosfera è fondamentale per la vita degli organismi, in

quanto scherma le radiazioni UV che hanno effetto mutageno, è fondamentale

eliminare tutte le fonti di inquinamento antropico che possono spostare l’equilibrio

Struttura dell’atmosfera

Mesosfera i gas sono molto rarefatti e aumenta la % di quelli più leggeri. Si possono

formare nubi sottili e rarefatte dette nottilucenti.

In questo strato si disintegra la maggior parte delle meteoriti.

La temperatura raggiunge valori compresi tra i -70 e i -90°C, per l’assenza di ozono e

per la lontananza dalla superficie terrestre.

Termosfera detta anche ionosfera perché buona parte dei gas estremamente rarefatti

di cui è composta sono ionizzati dalle radiazioni solari e cosmiche ad alta energia.

Gli strati ionizzati riflettono al suolo le onde radio permettendo le radiocomunicazioni.

La composizione percentuale dei gas si modifica rispetto agli strati sottostanti e le

particelle hanno un elevata energia cinetica a causa della rarefazione, che si trasforma

in una elevata temperatura cinetica.

Tuttavia, sempre a causa della rarefazione il calore non può propagarsi con il risultato

di un freddo intenso.

Esosfera  manca di un limite superiore e sfuma nell’atmosfera solare. È composta

soprattutto da elio ed idrogeno che possono sfuggire al campo gravitazionale terrestre.

La temperatura cinetica è ancora superiore di quella della termosfera.

ENERGIA SOLARE ed atmosfera

L’energia presente in atmosfera deriva sia dalle radiazioni solari dirette sia

dalle radiazioni riemesse dalla Terra verso lo spazio, dopo l’assorbimento

delle radiazioni solari dirette.

Radiazioni a onda corta (  = 0,17 e 4  m)  radiazioni solari dirette.

La quantità di energia per minuto per cm

2

di superficie esterna dell’atmosfera,

posta perpendicolarmente alla direzione dei raggi solari, è detta costante solare

= 1,94 cal/cm

2

/min

 il 47% della radiazione totale incidente sul limite esterno dell’atmosfera

raggiunge effettivamente la superficie terrestre e viene da essa assorbita. La

restante parte è assorbita e riflessa dall’atmosfera e riflessa dalla superficie

terrestre.

Radiazioni ad onda lunga (> 4  m ) radiazioni terrestri indirette costituite

dal calore assorbito dalla Terra e riemesso da essa verso lo spazio.

Queste radiazioni vengono assorbite nella bassa atmosfera da biossido di

carbonio e vapore acqueo e vengono riemesse in parte verso l’esterno e in parte

di nuovo verso la Terra ( effetto serra ).

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La radiazione solare e il bilancio termico del sistema Terra

Nell’attraversare l’atmosfera la radiazione solare

viene in parte riflessa (31%), in parte assorbita (18%)

e soltanto il 51% costituisce la radiazione globale

che giunge al globo terracqueo; quest’ultimo a sua

volta riflette un ulteriore 4% della radiazione solare.

Nel complesso il sistema Terra - atmosfera ha un

potere riflettente o albedo pari a circa il 35% della

radiazione solare in arrivo.

La radiazione effettiva assorbita dalla Terra (47%

del totale) viene emessa nuovamente dal nostro

pianeta sotto forma di radiazioni a onde lunghe che

danno il maggior contributo al riscaldamento

dell’atmosfera.

Quest’ultima, quindi, si riscalda dal basso e si

mantiene calda grazie all’ effetto serra causato da

alcuni componenti dell’atmosfera, come l’anidride

carbonica e il vapore acqueo, in grado di assorbire la

radiazione emessa dalla superficie terrestre.

Il sistema Terra - atmosfera restituisce allo spazio la

stessa quantità di energia che riceve dal Sole:

considerando un intero anno e il globo terrestre nel

suo complesso si può parlare di equilibrio termico.

Caratteristiche fisiche della Troposfera

1. Temperatura locale

È una quantità variabile che dipende da:

altitudine la temp. diminuisce all’aumentare dell’altitudine per la rarefazione

dell’aria.

latitudine la temp. diminuisce all’aumentare della latitudine per l’aumento

dell’inclinazione dei raggi solari e la riduzione della quantità di energia ricevuta

per cm

2

di superficie.

durata del dì e della notte aumenta all’aumentare della durata del dì.

distribuzione di bacini oceanici l’acqua si scalda più lentamente delle rocce e

quindi la temperatura sul mare è inferiore a quella sulla terraferma.

fattori geografici catene montuose o correnti oceaniche possono interferire con i

movimenti di masse d’aria o di acqua.

umidità l’aria ricca di vapore acqueo si riscalda meno dell’aria secca.

presenza di vegetazione la traspirazione delle piante mantiene un certo grado di

umidità e la temperutara è più mite ed uniforme

urbanizzazione costruzioni e asfalto assorbono il calore meglio di rocce e suolo.

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La temperatura dell’aria

L’esposizione e l’inclinazione dei versanti esercitano una notevole

influenza sul riscaldamento del terreno, e quindi sulla temperatura

dell’aria sovrastante.

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Terra

La temperatura dell’aria

Temperatura

dell’aria sulla

superficie

terrestre,

rappresentata

mediante

isoterme.

Caratteristiche fisiche della troposfera

2. Pressione atmosferica = pressione esercitata dall’aria su tutto ciò che sovrasta.

pressione atmosferica normale = peso dell’aria secca e pura su una superficie di 1

cm

2

misurata a livello del mare alla latitudine di 45° e alla temperatura di 0°C ed è

pari a 1 atm = 1013 mbar o hPa = 760 mm Hg. È misurata con barometri e

barografi che registarno in continuo le variazioni di pres.

Alta pressione se è > di quella normale

Bassa pressione se è < di quella normale.

È una quantità variabile che dipende da:

altitudine  la pressione diminuisce all’aumentare dell’altitudine a causa della

rarefazione, ma la diminuzione è più veloce negli strati più densi della bassa

atmosfera.

temperatura  la pressione diminuisce all’aumentare della temperatura che

conferisce energia cinetica alle particelle gassose che tendono ad allontanarsi,

quindi nelle zone calde si ha bassa pressione mentee in quelle fredde alta pressione

• umidità  le molecole di acqua (H

2

O) hanno una massa < di quelle di O

2

e N

2

quindi a parità di volume e temperatura, l’aria secca in cui è assente il vapor acqueo

è più pesante dell’aria umida. Pertanto la pressione diminuisce all’aumentare

dell’umidità.