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L’ATMOSFERA
L’atmosfera è l'involucro gassoso che circonda il pianeta e rimane attaccato alla Terra grazie alla forza di gravità. (La Luna non ha atmosfera, i gas sono dispersi nello spazio e la sua forza di gravità è ⅙ di quella terrestre). L’atmosfera ha un peso che dipende dalla sua massa e dall’accelerazione di gravità. I parametri che riguardano l’atmosfera sono la temperatura, l’umidità e la pressione. L’analisi chimica dell’atmosfera rivela che questa è una miscela gassosa costituita da azoto, ossigeno, anidride carbonica, idrogeno. La quantità di un gas presente nell’atmosfera si indica con la percentuale in volume: per l’azoto è il 78% mentre per l’ossigeno circa il 21%. L’anidride carbonica, sebbene sia una parte importante, corrisponde solamente allo 0,04%. L’anidride carbonica è coinvolta nell’effetto serra, nella respirazione e nella fotosintesi. L’argon è presente per circa lo 0,9% mentre il resto dei componenti sono trascurabili. Nella bassa atmosfera è presente in grande quantità il pulviscolo atmosferico, generato da vulcani e pollini. Nell’alta atmosfera i moti dei gas sono ridotti e non c’è rimescolamento: sono distribuiti in base alla densità. L’atmosfera non ha un limite netto: si fa sempre più rarefatta fin quando non diventa troppo sottile rispetto alle dimensioni del pianeta. L’atmosfera è inoltre concentrata per il 90% nei primi 20 km intorno alla terra. Nei primi 5 km si ha il 50% della massa atmosferica (perché subisce la pressione degli strati soprastanti che avvicinano e comprimono tra loro le molecole). A mano a mano l’atmosfera si fa molto più rarefatta, per questo la pressione non varia in modo proporzionale all'altezza ma diminuisce in modo esponenziale. Circa ogni 5 km la pressione si dimezza. La pressione è il rapporto tra il peso di una colonnina d’aria e la superficie su cui questa colonnina grava. Si misura in atmosfere. 1 atmosfera (ATM) corrisponde circa a 1 kg su cm². Oggi si utilizzano gli ettopascal (hPa). 1 ATM corrisponde a 1013 hPa. (1 hPa=1 millibar). Un’altra unità di misura sono i millimetri di mercurio che corrispondono a 760. Il mezzo utilizzato per misurare la pressione è il barometro, inventato nel 1644 da Torricelli. La pressione non è costante ma diminuisce in modo esponenziale con l’altitudine. Inoltre, in uno stesso luogo, la pressione può cambiare in base alla temperatura dell’aria: l’aria calda è più leggera dell’aria fredda ed esercita una pressione minore. In questo modo l’aria calda si espande e tende a salire verso l’alto perché è meno densa. La pressione dipende anche dall’umidità: l’aria ricca di vapore è meno densa dell'aria secca. L'aria umida, cioè l'aria con un maggior contenuto di vapore acqueo, esercita una minore pressione rispetto all'aria secca. Ciò è dovuto al fatto che le molecole di vapore acqueo sono più leggere rispetto alle molecole di ossigeno. Per cui, a parità di volume, l'aria umida esercita una minore pressione rispetto all'aria secca.
CICLONI E ANTICICLONI:
Considerando due masse d’aria a pressioni diverse si nota che l’aria tende a spostarsi da zone con pressione maggiore (l’aria pesa di più) a zone con pressione minore (l’aria pesa di meno). La vicinanza di masse d’aria a pressioni diverse genera il VENTO. Il vento ha il compito di portare le due pressioni allo stesso valore, allo stesso valore il vento si quieta. Se il vento continua vuol dire che c’è qualcosa che continua a generare lo squilibrio tra le due pressioni. La causa di questo fenomeno è L’ENERGIA SOLARE: il movimento della massa d’aria tende ad annullare il fatto che il sole non riscalda in
maniera equa la superficie della Terra per svariati motivi (stagioni, giorno/notte). Da qui si originano cicloni e anticicloni. Esistono venti differenti a causa delle diverse temperature delle masse d’aria. Come si muovono le masse d’aria? Non si muovo in rettilineo ma hanno traiettorie curvilinee. La causa di ciò è la forza di Coriolis (una forza apparente). Nell’emisfero Nord le masse d’aria subiscono uno spostamento verso destra rispetto alla traiettoria (↑➝). Nell’emisfero Sud invece subiscono uno spostamento verso sinistra rispetto alla traiettoria (↓➝). Grazie a ciò si può capire in quale emisfero si trova il ciclone (emisfero Nord: senso antiorario, emisfero Sud: senso orario). I meteorologi lavorano su carte geografiche chiamate carte del tempo. Nelle cartine del tempo i punti che hanno uguale pressione atmosferica sono uniti da linee chiuse e concentriche dette isobare. Sempre nelle cartine sono indicati i punti H (high, alta pressione, valore delle isobare in aumento) che corrispondono alle aree anticicloniche e i punti L (low, di bassa pressione, valore delle isobare in diminuzione) che corrispondono alle aree cicloniche. Grazie alla posizione delle isobare si può intuire dove ci sarà più vento: nelle zone dove le isobare sono più vicine tra loro ci sarà un vento più forte perché abbiamo un maggiore gradiente barico e quindi le isobare saranno più avvicinate. GRADIENTE BARICO = indice che indica quanto una certa grandezza varia in rapporto ad una certa distanza, rappresenta la forza orizzontale che dà origine al vento (tanto più è alto il gradiente, tanto più diminuisce la distanza). Formula: G = ΔP/ d (rapporto tra la differenza di pressione tra due isobare continue e la loro distanza). Chi lascia passare di più il freddo tra muro e vetro? Il vetro lascia passare più freddo rispetto al muro dato che il gradiente termico maggiore è quello sul vetro. Sul muro sarà minore perché ha uno spessore maggiore rispetto allo spessore del vetro e quindi la distanza fra dentro la casa e fuori sarà maggiore che rispetto al vetro.
FRONTI E ANALISI ISOBARE:
La superficie di contatto tra due masse d’aria con caratteristiche di umidità e temperature differenti è definita fronte. Possono essere di tre tipi: freddi, caldi e occlusi. Generalmente il fronte freddo è più veloce del fronte caldo e quando il fronte freddo raggiunge quello caldo si forma il fronte occluso. Nei fronti si incontrano masse d’aria diverse (calde e fredde) e costituiscono i luoghi in cui si verificano le perturbazioni. Fronte freddo: (nella slide contrassegnato da triangolino blu) è una massa d’aria fredda che avanza verso il fronte d’aria calda (crea una superficie curvilinea). L’aria fredda è più pesante quindi si mette sotto l’aria calda che a sua volta viene spinta verso l’alto ⇒ si verificano le precipitazioni. Costituisce il “motore del movimento” di tutto il sistema perchè è più pesante e più veloce). Fronte caldo: (nella slide contrassegnato dai semicerchi rossi) è una massa di aria calda, quindi più leggera, che sale sopra quella fredda. In alto si raffredda e quindi condensa creando le precipitazioni. Fronte occluso: (nella slide contrassegnato con semicerchi e triangoli viola) si verifica quando la massa d’aria calda è posizionata sopra la massa d’aria fredda.
dell’aria. La brezza di mare soffia dal mare verso la terraferma e la brezza di terra spira dalla terra verso il mare. La differenza tra le proprietà della terra e del mare porta a delle variazioni di temperatura dell’aria. Questo dipende dalla differenza di calore specifico. L’acqua si riscalda e raffredda più lentamente delle rocce e però si determina un’area di alta pressione mentre la bassa pressione sarà sulla terraferma. Durante la notte il suolo perde calore più velocemente del mare: l’alta pressione si forma sulla terraferma e la bassa pressione sul mare. Durante il giorno l’aria del suolo salirà e si sposterà verso l'acqua dove si raffredderà. Di notte la cella sarà al contrario. La brezza di mare è un vento locale, non ha a che vedere con i fenomeni planetari. Se dovesse esserci una grossa perturbazione, questo fenomeno viene cancellato. Ci sono poi dei venti periodici con periodicità stagionale, sono i monsoni. Sono fenomeni simili alle brezze ma spirano su scala molto più vasta. Questo fenomeno è particolarmente rilevante nella fascia che va dal Corno d’Africa al Mar della Cina. Si tratta di un vento che per mesi porta pioggia dall’Oceano verso la terra e per altri sei mesi il contrario. In estate il continente asiatico si riscalda più velocemente: l’aria che viene dall’oceano ed è ricca di umidità, si scarica sul continente dove si avranno le piogge monsoniche. In inverno la situazione si inverte: sopra l’oceano l’aria è più calda e si forma una bassa pressione che richiama il vento dal continente. Il monsone estivo scaricherà la propria umidità sull'Himalaya del momento che ha determinate condizioni di aria, pressione, umidità che favoriscono questo fenomeno. Esistono poi dei venti irregolari che si verificano solo in determinate condizioni e non si possono prevedere (tramontana, scirocco…).
UMIDITÁ E ACQUA NELL’ARIA:
L’evaporazione è particolarmente consistente nella superficie di contatto tra le acque marine e l’atmosfera. Grazie all’evaporazione l’acqua passa dai mari all’atmosfera. Infine, il vapore acqueo va incontro al processo di condensazione, passa nuovamente allo stato liquido e forma le nubi. La quantità di vapore acqueo che può essere contenuta in un dato volume d’aria non è illimitata, ma raggiunge un valore massimo che dipende dalla temperatura. Il contenuto massimo di vapore che l’aria può contenere aumenta all’aumentare della temperatura e diminuisce al diminuire della temperatura. UMIDITÁ ASSOLUTA: quantità di vapore contenuta in un determinato volume d’aria, espressa in g/m^3. Una massa d’aria è satura quando contiene la quantità di vapore acqueo massima possibile in relazione alla sua temperatura. La temperatura alla quale la massa d’aria diviene satura è il punto di rugiada. UMIDITÁ RELATIVA: è il rapporto percentuale tra l’umidità assoluta e la massima quantità di vapore acqueo che potrebbe essere contenuta nella massa d’aria alla medesima temperatura. L’aria può quindi contenere vapore fino a un certo punto. Se immetto altro vapore nell’aria già satura si passa allo stato liquido. Questa capacità dell'aria è influenzata dalla temperatura. Il contenuto di vapore nell’aria si misura con uno strumento chiamato igrometro e si esprime in percentuale (umidità relativa). Il vapore non si vede quando esce dalla nostra bocca. La nuvoletta che produciamo in inverno consiste in acqua nello stato liquido, attraverso il processo di condensazione in goccioline (passaggio da vapore a
goccioline di acqua). In inverno condensa e in estate no, perché in inverno l’aria è umida. A bassa temperatura l’aria raggiunge il massimo della saturazione, in estate l’aria può contenere molto più vapore prima di arrivare alla saturazione. Mari, oceani e foreste sono ambienti caldi con vapore. Le nuvole si formano più in alto rispetto a dove si origina il vapore, perché si abbassa la temperatura e si abbassa anche il punto di saturazione. L'umidità relativa aumenta, perché l’aria può contenere progressivamente meno vapore e si arriva al punto in cui la saturazione si accede non con il suo massimo, ma con un altro numero. La temperatura a cui la massa d’aria raggiunge la saturazione si chiama punto di rugiada, che è il risultato di questo stesso fenomeno. Il punto di rugiada normalmente lo si raggiunge a una certa altezza, poiché si possono formare anche delle nuvole al suolo, esempio la nebbia. I fattori che possono provocare il raffreddamento della massa d’aria sono la presenza di rilievi. Una massa d’aria che si muove quando incontra un rilievo è costretta a salire e salendo si raffredda e raffreddandosi si raggiunge il punto di rugiada e poi condensa. Un’altra modalità è quando vediamo le nuvolette leggere estive in estate, e sono dovute alla convezione: durante il giorno il suolo si scalda e si formano delle bolle d’aria calda che salgono e si raffreddano. Inizia a condensare quando l’umidità relativa arriva al 100% si condensano e formano queste nuvole.I fenomeni più intensi sono provocati dai fronti, punti in cui si incontrano masse d’aria calda e fredda e, incontrandosi , l’aria calda viene spinta verso l’alto. L’acqua che troviamo nel cielo viene prelevata dagli oceani tropicali, perché più è alta la temperatura più evapora.
LA NEBBIA E LE NUVOLE:
La condensazione del vapore acqueo avviene quando la temperatura di una massa d'aria scende al di sotto del punto di rugiada. Se ciò si verifica, il vapore acqueo presente nella massa d'aria è in eccesso rispetto alla quantità massima che può essere contenuta quella temperatura. La quantità di vapore in più condensa sotto forma di acqua liquida. La nebbia si forma per contatto di una massa d'aria calda e umida con una superficie fredda. L'aria calda cede calore al corpo freddo e si raffredda. L'abbassamento della temperatura determina un eccesso di vapore acqueo che condensa sotto forma di goccioline nell'aria. La formazione delle nuvole segue un meccanismo analogo: anche in questo caso c'è la condensazione del vapore acqueo presente in eccesso in una massa d'aria. La principale differenza è che la trasformazione che la massa d'aria subisce è una trasformazione adiabatica, si ha una variazione di pressione. Quando una massa d'aria si espande la sua temperatura diminuisce, mentre quando una massa d'aria compressa, la sua temperatura aumenta. In una massa d'aria che si espande le molecole occupano un volume maggiore, perdono energia compiendo un lavoro sull'ambiente e, così, il gas si raffredda. Quando l'aria è compressa il lavoro è compiuto su di essa dall'esterno, la massa d'aria questa energia si riscalda. La condensazione del vapore nella formazione della nebbia e delle nuvole è favorita, oltre che dall’abbassamento della temperatura, anche dalla presenza di particelle, nuclei di condensazione; questi nuclei sono microscopici granuli che offrono una superficie su cui l'acqua può condensare. Le varie tipologie di nuvole si possono ricondurre a due categorie principali: grosse nuvole che si sviluppano in altezza, oppure nuvole che formano piani molto estesi. Alla prima categoria appartengono le maestose nuvole bianche e i nuvoloni scuri dei temporali. Queste nuvole sono dette nubi cumuliformi o semplicemente cumuli. I cumuli si formano da bolle d'aria calda e umida che vanno verso l'alto e continuano a salire finché rimangono più calde e meno denso
TERMOSFERA:
Termina con la termopausa intorno ai 1000 km di altezza. Anche in questa fascia i gas sono rarefatti e ionizzati. La termosfera è caratterizzata da un costante aumento della temperatura con la quota, a causa del riscaldamento diretto del Sole. L’aumento di temperatura è dovuto al fatto che i raggi solari cedono direttamente energia alle particelle dei gas che si muovono più rapidamente (temperatura cinetica). Qui la temperatura raggiunge i 1000°, eppure questa zona è fredda (fredda, perchè il calore si libera quando le particelle si urtano e qui avvengono pochissimi urti). In questo modo si può parlare di temperatura cinetica. In questa sfera si verificano le aurore boreali, fenomeni luminosi particolarmente suggestivi. ESOSFERA: Si estende sopra la termosfera e non ha limiti ben definiti, convenzionalmente è posta tra i 2000/2500 km di altezza, dove le particelle sfuggono alla forza di gravità e migrano nella spazio interstellare. L’esosfera ha una bassissima densità dei gas ed è formata principalmente da idrogeno ed elio. All’interno di questi strati si può distinguere la ionosfera, una fascia compresa tra i 50 e i 1000 km di quota, in cui sono presenti ioni. Le particelle dotate di carica elettrica formano strati che riflettono le onde radio emesse dalla superficie terrestre e permettono la trasmissione dei messaggi radiofonici.
OZONO E BUCO DELL’OZONO:
L’ozono, O₃, è una forma attraverso la quale si legano gli atomi di ossigeno. La maggior parte dei raggi ultravioletti provenienti dal sole viene assorbita dall'ossigeno che si scinde in singoli atomi di ossigeno. I singoli atomi si raggruppano e formano l’ozono, composto da 3 atomi. Se due atomi liberi si incontrano di nuovo si formeranno molecole di ossigeno, se un atomo singolo incontra una molecola di ossigeno si forma l’ozono. L’ozono, colpito da radiazioni ultraviolette, assorbe energia ultravioletta e si scinde in ossigeno O₂ e ossigeno atomico. Lo strato di ozono è in continua formazione e demolizione. Questa continua attività, oltre ad assorbire gli ultravioletti, riscalda lo strato di atmosfera. La protezione dei raggi ultravioletti in alcune zone è più scarsa a causa del buco dell’ozono, che si è progressivamente assottigliato negli ultimi decenni. BUCO DELL’OZONO: si trova principalmente in corrispondenza dei poli e riguarda lo strato della termosfera. È favorito dalla produzione di alcune sostanze chimiche utilizzate dall’uomo, utilizzate nei sistemi refrigeranti. Si formano quindi dei buchi che sono delle diminuzioni della concentrazione dell’ozono che permettono alle radiazioni ultraviolette di penetrare più facilmente.
AURORE AUSTRALI E BOREALI:
Le aurore avvengono all’interno della termosfera. Il vento solare, composto da elettroni e protoni, ha un’interazione con i gas presenti nell’alta atmosfera: questi eccitano i gas presenti e il risultato è la produzione di luci di vario colore. Le aurore si formano vicino ai poli per una questione magnetica. Il campo magnetico terrestre corrisponde circa ai poli geografici e deflette il vento solare (costituito da particelle cariche). Le linee di forza del campo magnetico terrestre nascono ai poli. Quando le particelle del vento solare arrivano verso la terra, sono deviate dal campo magnetico. A livello dei poli possono penetrare più in profondità fino a 80-100 km dove interagiscono con le particelle dell’atmosfera e le eccitano. Per questo le aurore sono visibili solo ai poli. Se dovesse sparire il campo magnetico terrestre, il vento solare potrebbe penetrare più in profondità.
L’interazione genere la ionosfera, dove ci sono particelle allo stato ionizzato. Questi ioni sono importanti per le comunicazioni radio. Un’emittente, prima dei satelliti, poteva recepire un segnale facendo rimbalzare le onde lunghe attraverso l’atmosfera. La parte alta dell’atmosfera permette questo rimbalzo grazie allo strato con un’alta concentrazione di ioni. Ci sono diversi livelli che riflettono onde radio di diversa lunghezza. Questo fenomeno potrebbe essere alterato dalla mancanza del campo magnetico terrestre.
L’ENERGIA SOLARE E L’ATMOSFERA:
I fenomeni atmosferici sono causati dall’interazione dell’energia solare con la troposfera. L’energia solare è un insieme di radiazioni elettromagnetiche a diverse lunghezze d'onda. Le radiazioni a lunghezze d’onda corte, ad esempio le radiazioni ultraviolette, sono molto energetiche, quelle a lunghezze d’onda lunga, come i raggi infrarossi, sono meno energetiche. L’energia solare ricevuta dall’atmosfera e dalla superficie terrestre è restituita allo spazio in uguale quantità. Si stabilisce un equilibrio energetico: l’energia in ingresso è di pari quantità di energia in uscita. COSTANTE SOLARE: rappresenta il flusso di energia media che la terra riceve dal sole, misurata agli estremi esterni dell’atmosfera, su un piano di un centimetro quadrato, disposto perpendicolarmente ai raggi solari, in un minuto di tempo. Questo valore corrisponde a 1366 W/m^2. Il ritorno dell’energia nello spazio avviene attraverso: RIFLESSIONE E IRRAGGIAMENTO. Con la riflessione le radiazioni sono direttamente respinte. L’energia riflessa non subisce alcuna trasformazione e mantiene la lunghezza d’onda iniziale. ALBEDO: potere riflettente di una superficie, porzione di energia luminosa che viene riflessa da un pianeta nello spazio. L’irraggiamento si verifica quando la superficie terrestre assorbe parte dell’energia solare, si riscalda e riemette energia sotto forma di energia termica. Circa il 35% dell’energia solare che arriva alla Terra è direttamente riflesso nello spazio, il 18% è assorbito dall’atmosfera, mentre il 47% è assorbito dalle acque, dalle rocce e dalle piante. L’energia emessa sotto forma di calore riscalda direttamente gli strati inferiori dell’atmosfera. La Terra, avente una temperatura inferiore emette raggi infrarossi, con una lunghezza d’onda maggiore. CALORE LATENTE: calore che si scambia quando avviene un passaggio di stato (ad esempio, evaporazione/solidificazione dell’acqua). Se il passaggio ghiaccio-acqua assorbe calore, il passaggio inverso cederà calore: il ghiaccio fonde a 0 gradi, il calore che il sistema assorbe è impegnato nel passaggio di stato e non si manifesta con un aumento di temperatura ma come passaggio di stato. Nell’effetto serra si ha un trasferimento di calore latente, energia. Questa energia viene restituita con il calore latente di condensazione, viene liberata energia, infatti il vapore acqueo si condensa e diventa allo stato liquido. Questa energia viene ceduta all’atmosfera che si riscalda.
IL RISCALDAMENTO GLOBALE E L’EFFETTO SERRA:
Il riscaldamento di un pianeta dipende dal sole e dalla conformazione del pianeta. Ad esempio Venere ha una temperatura superficiale di 450 gradi, Marte di -53. La terra di circa 13-15 gradi. La vicinanza al sole e la presenza dell’atmosfera giustificano il clima terrestre.
Per ottenere la temperatura di un pianeta senza la sua atmosfera si dovrebbe eguagliare l’energia solare assorbita dal pianeta con l’energia emessa. Per calcolare ciò servono: COSTANTE SOLARE: si indica con S₀. Si calcola tramite il rapporto fra 4x10²⁶ e della formula 4πr² (dove con r si indica la distanza del pianeta dal sole). ALBEDO DEL PIANETA (indicata con α) б, COSTANTE DI BOLTZMANN che equivale a 5,67x10⁻⁸ La formula per calcolare la temperatura del pianeta: Te= 4 √[( (S 0 /4) (1- αp))/ σ]. L’effetto serra e la presenza dell’atmosfera intorno al pianeta permetteranno allo stesso di trattenere il calore dimostrando una temperatura tendenzialmente maggiore di quella teorica.
CO2:
Considerando il grafico dell’andamento della CO 2 nel tempo, si nota che questo oscilla a seconda della stagione. Ciò avviene a causa della fotosintesi, attraverso la quale le piante assorbono CO 2 e rilasciano O 2. In autunno e in inverno le piante muoiono e di conseguenza non consumano anidride carbonica, per cui nel grafico si avrà un picco; in estate e in primavera invece, le piante consumano CO 2 e così il valore nel grafico sarà inferiore. Poiché l’emisfero sud è caratterizzato da stagioni invertite, ci si aspetterebbe un bilanciamento di CO 2 e quindi un grafico lineare. Questo però non avviene perché l’emisfero sud è formato principalmente da oceani. Il trend è in continuo aumento da milioni di anni. È stato possibile scoprire la quantità di CO 2 presente grazie al ghiaccio della calotta polare. Infatti il ghiaccio, formandosi dalla solidificazione dell’acqua, contiene all’interno anche bolle di aria, nella quale si possono studiare gli elementi presenti. Anche il trend del metano, CH₄, è in notevole aumento (circa 145% negli ultimi anni):
CICLO DEL CARBONIO:
Il carbonio è molto presente in natura: possiamo trovarlo nell’atmosfera, nell’acqua e nel suolo. Il carbone presente nei sedimenti, costituiti da metano e carbone, è un combustibile fossile. I combustibili fossili sono il principale fattore che ha determinato la variazione anidride carbonica. I combustibili fossili sono fonti di energia non rinnovabili perché richiedono milioni di anni per rinnovarsi (l’essere umano li sta esaurendo e usando in centinaia di anni). Nell’atmosfera sono presenti circa 750 giga tonnellate di carbonio, nei sedimenti 78 milioni e nel suolo circa millecinquecento. I combustibili fossili immettono circa 6.3 giga tonnellate di carbonio nell’atmosfera, che però ne cede 92 agli oceani. Gli oceani a loro volta ne cedono 90 all’atmosfera. In questo modo gli oceani diventano dei serbatoi di carbonio, dal momento che ricevono più giga tonnellate di carbonio di quelle che cedono. La maggior parte di carbonio si trova nei sedimenti anche se ce n'è molto anche nell’acqua.
