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L’atmosfera (PARTE 1)
1. La composizione dell’aria L’atmosfera è la componente gassosa che circonda la Terra e che grazie alla forza di gravità, l’accompagna nei suoi movimenti. Essa interagisce con la biosfera, assorbe e distribuisce il calore solare, filtra e scherma le radiazioni solari ad alta energia, partecipa al ciclo idrologico e ai processi di modellamento della superficie terrestre. L’aria è la miscela di gas che costituiscono l’atmosfera e che avvolgono il pianeta. Diventano sempre più rarefatti dal basso verso l’alto, fino alla quota di 1500 km dove sfumano nello spazio cosmico. Il 90% di tutta l’aria atmosferica si trova entro i 16 km di quota e a 100 km di distanza dalla superficie terrestre rimane soltanto lo 0,00003% del totale dei gas. Tracce di atmosfera sono rintracciabili fino a 2000- 2500 km di altitudine. L’aria presente nella bassa atmosfera (cioè nei primi 80 km circa) è una miscela di azoto, ossigeno, argon e diossido di carbonio , mescolati quasi con vapore acqueo e con percentuali minime di gas. → L’aria che contiene vapore acqueo è detta aria umida → mentre quella che ne è priva è chiamata aria secca I gas più abbondanti dell’aria secca sono azoto e ossigeno. Seguono l’argon e alcuni altri gas in percentuali piccolissime (anidride carbonica, idrogeno e gas nobili). → Azoto N2 è presente al 78%. È un elemento poco reattivo che entra ed esce dal nostro apparato respiratorio senza subire cambiamenti. Entra nel ciclo alimentare dei viventi tramite i batteri azotofissatori che lo incorporano in molecole organiche utilizzabili dalle piante. Tramite la catena alimentare viene poi trasferito nei tessuti animali. L’azoto fissato dai batteri, dopo un complesso ciclo di trasformazioni, viene restituito all’atmosfera grazie all’azione dei batteri denitrificanti. In condizioni naturali, la quantità di azoto presente nell’aria rimane pressoché costante. La presenza di azoto nell’aria è importante anche perché attenua l’azione ossidante dell’ossigeno → Ossigeno Si trova nell’aria sotto forma di molecole biatomiche (O2), triatomiche (O3 , ozono) o di atomi singoli (O). Negli strati bassi dell’atmosfera prevale l’ossigeno biatomico presente al 21%. Alimenta la respirazione degli organismi aerobici e partecipa alla reazione di combustione. Non era presente in origine nell’atmosfera, ma si è formato solo grazie alla comparsa degli organismi fotosintetici 2,5 miliardi di anni fa. → Argon Ar è presente al 0,9%. Appartiene al gruppo chimico dei gas nobili, quasi per niente reattivi. È ancora più inerte dell’azoto.
→ Anidride carbonica CO2 è presente circa allo 0,04%. È un gas inodore e incolore, prodotto dal metabolismo dei viventi, dalla combustione e dall’ossidazione delle sostanze organiche che contengono carbonio. E’ utilizzato dai vegetali durante la fotosintesi e si scioglie nelle acque oceaniche, dove viene utilizzato da numerosi organismi per la costruzione delle parti scheletriche. La concentrazione dell’anidride carbonica nell’atmosfera è importante anche perché influenza la temperatura dell’aria al suolo, in quanto assorbe alcune radiazioni solari e trattiene parte del calore irradiato dalla superficie terrestre. → Altri gas Tutti insieme non raggiungono lo 0,03%. Sono il metano (CH4), l’idrogeno e altri gas nobili quali l’elio, il neon, il cripton, lo xenon e il radon. → Vapore acqueo È presente in percentuale variabile fino al 5%. La sua percentuale presente nell’aria è detta umidità. E’ responsabile della formazione delle nubi e delle precipitazioni e interviene nella maggior parte dei fenomeni atmosferici. Proviene per la maggior parte dall’evaporazione delle acque superficiali, oceaniche e continentali. Quantità minori sono emesse dai vulcani, dagli esseri viventi durante la respirazione e la traspirazione. La quantità di acqua gassosa che può essere dispersa nell’aria senza condensare aumenta con la temperatura. → Il pulviscolo atmosferico Comprende una grande quantità di particelle microscopiche, tra cui alcune di origine biologica( pollini, spore di funghi e batteri) e altre di origine minerale ( sabbie e polveri di origine vulcanica, meteoritica e cosmica, fumi prodotti dalle attività umane).
2. Gli strati dell’atmosfera L’atmosfera non ha confini precisi, ma si possono individuare vari strati concentrici intorno alla terra con caratteristiche chimico-fisiche differenti. Gli strati sono detti sfere :
- troposfera
- stratosfera
- mesosfera
- termosfera
- esosfera Tra uno strato atmosferico e quello adiacente si trova una zona intermedia detta pausa. La ripartizione si basa sull’andamento della temperatura in relazione alla quota. Il gradiente termico verticale è la variazione della temperatura atmosferica nella direzione verticale:
è negativo se la temperatura diminuisce con l’aumento di quota è positivo se la temperatura aumenta con l’aumento di quota.
→ La stratosfera Dall’altitudine di 10 km fino a circa 50 km la temperatura aumenta salendo di quota. Non sono quindi presenti moti convettivi e i gas tendono a stratificarsi. La composizione è simile alla troposfera ma pressione e densità sono inferiori. La stratosfera è raggiunta dai raggi ultravioletti (UV) che interagiscono con l’ossigeno gassoso a formare ozono. La reazione produce calore, perciò l’aria si scalda provocando l’inversione termica tipica di questo strato. A sua volta l’ozono, in presenza di raggi UV, reagisce trasformandosi in ossigeno biatomico. Da un punto di vista molecolare, le reazioni si possono rappresentare come di seguito:
L’ozonosfera è lo strato atmosferico ricco di ozono, in cui avviene la reazione circolare O2/O3 che scherma la Terra dalle radiazioni UV pericolose per la materia vivente. Il buco dell’ozono è una zona dell’ozonosfera in cui si è riscontrata una rarefazione del gas a causa di alcune molecole inquinanti che distruggono l’ozono. Lo stratopausa separa la stratosfera dall’involucro successivo.
→ La mesosfera Tra 50 km e 80 km dal suolo cessano le reazioni di formazione dell’ozono che riscaldano l’atmosfera: la temperatura diminuisce nuovamente con l’altitudine. La composizione dell’aria varia: gradualmente scompaiono l’ossigeno e l’anidride carbonica, mentre aumentano idrogeno e elio provenienti dal Sole. Nella mesosfera si verifica il fenomeno delle stelle cadenti; infatti qui si disintegra la maggior parte delle meteoriti provenienti dallo spazio esterno. La mesopausa separa la mesosfera dalla zona sovrastante. → Termosfera Il gradiente termico si inverte raggiungendo, alla quota di 500 km, la temperatura di 1000 °C, stimata in base alla velocità media delle particelle gassose. A queste temperature i gas caldissimi sono molto rarefatti, quindi non riescono a riscaldare la materia con cui vengono a contatto. La superficie di discontinuità tra la termosfera e la zona sovrastante è la termopausa.
La ionosfera è lo strato atmosferico situato a partire da 60 km di quota dove i gas atmosferici, bombardati dalle radiazioni solari ricche di energia e dai raggi cosmici, perdono elettroni e vengono ionizzati. Si sovrappone in parte alla termosfera e in parte alla mesosfera. Nelle regioni polari, l’aria ionizzata emette luce dando luogo al fenomeno delle aurore polari. → L’esosfera è lo strato più esterno. Le temperature aumentano ancora, mentre l’aria è composta quasi solamente da idrogeno ed elio. All’altitudine di 1500 km la composizione, la densità e la temperatura dell’atmosfera diventano indistinguibili da quelle dello spazio interplanetario.
L'ATMOSFERA E I FENOMENI ATMOSFERICI
1. Composizione dell’atmosfera Il pianeta è strutturato a sfere che interagiscono tra loro:
- Atmosfera ( gas )
- Idrosfera ( acqua )
- Geosfera ( solidi )
- Biosfera ( vita ) La forza di gravità trattiene i gas che formano l’involucro gassoso attorno alla terra. L’atmosfera è presente per il 75% all'interno dei primi di 12 km di altezza. Le sue funzioni sono:
- proteggere la terra da radiazioni pericolose e da corpi celesti
- trattenere l’energia
- ridistribuire globalmente il calore dell’aria
- costituire un serbatoio d’acqua
- essere indispensabile alla vita 2. Bilancio termico ed effetto serra L'energia che arriva dal Sole è prodotta dalla fusione nucleare nel nucleo, attraversa lo spazio vuoto sotto forma di onde elettromagnetiche e arriva sulla terra. > RAGGI-X e RAGGI Y: a cortissima lunghezza d'onda e altissima energia,sono assorbiti dai gas degli strati alti dell'atmosfera > RADIAZIONI UV: Onde corte,alta energia, assorbite dall'ozono nell'ozonosfera > LUCE VISIBILE: insieme di radiazioni che percepiamo come colori, spettro del visibile, attraversano l'atmosfera > RADIAZIONI INFRAROSSE: onde lunghe a bassa energia, non visibili, percepite come calore/onde termiche > ONDE RADIO: molto lunghe a bassissima energia; le microonde sono onde radio utilizzate nel forno a microonde.
3. Bilancio termico La Terra riceve energia dal Sole e ne restituisce una parte sotto forma di onde lunghe che riscaldano l’atmosfera. La differenza tra le percentuali di radiazioni ricevute e di radiazioni emesse definisce il bilancio termico del nostro pianeta. Della radiazione solare in arrivo:
30% riflessa nello spazio 20% assorbita dall'ozono 50% raggiunge la superficie terrestre dove è assorbita, è riemessa sotto forma di radiazioni infrarosse Durante l'anno il 30% è riflesso nello spazio il 70% prima è assorbito e poi rimesso nello spazio come radiazioni termiche. Il bilancio termico quindi è in pareggio → ciò che arriva = ciò che viene riemesso 4. Come avviene il riscaldamento dell’Atmosfera? Il Sole produce senza sosta una notevole quantità di energia e la emette sotto forma di onde elettromagnetiche. La superficie terrestre assorbe le radiazioni che hanno attraversato l’atmosfera e si riscalda. Come conseguenza, emette anch’essa energia, sotto forma di calore. Le radiazioni emesse dalla Terra (verso l’alto) hanno una lunghezza d’onda maggiore di quelle che provengono direttamente dal Sole e non riescono ad attraversare l’atmosfera, che le rimanda indietro, verso la superficie terrestre. Questo comportamento dell’atmosfera viene solitamente chiamato effetto serra. I responsabili dell’assorbimento del calore emesso dalla Terra – i cosiddetti gas serra – sono principalmente il vapore acqueo, l’anidride carbonica, gli ossidi di azoto e il metano. La presenza di questi gas nell’atmosfera fa sì che la temperatura superficiale della Terra sia attualmente circa 35 °C più alta di quella che si avrebbe in loro assenza.
7. La temperatura dell’aria dipende: → da distribuzione delle terre emerse e dei mari Il fenomeno dipende dal fatto che terre e acque hanno un diverso comportamento termico: in genere, cioè, le rocce si riscaldano e si raffreddano più rapidamente di quanto faccia l’acqua. → dalla copertura vegetale La vegetazione assorbe l’energia solare utilizzandola per le proprie funzioni vitali. 8. L’umidità dell’aria Il vapore acqueo è uno dei componenti più importanti dell’atmosfera. È presente in quantità molto variabili, a seconda dei periodi dell’anno e delle diverse regioni della Terra.
La quantità di vapore acqueo presente nell’aria è definito con il termine: Umidità → ( Igrometro - misuratore di umidità dell'aria) → L’umidità assoluta L’umidità assoluta è la quantità di vapore acqueo (in grammi) che si trova in 1 m³ d’aria. L’aria non può contenere una quantità illimitata di vapore acqueo: giunta alla quantità massima possibile, si dice che è satura. Raggiunto il punto di saturazione (detto anche punto di rugiada ) il vapore acqueo inizia a condensare formando minuscole goccioline di acqua allo stato liquido. Il limite di saturazione di vapore acqueo dipende dalla temperatura: più essa è alta, più vapore può essere contenuto in un volume d’aria.
→ L’umidità relativa L’umidità relativa è il rapporto tra l’umidità assoluta e il limite di saturazione (cioè l’umidità «massima» a una certa temperatura). L’umidità relativa si esprime in percentuale, secondo la formula: **> umidità relativa = umidità assoluta / umidità massima x 100.
** L’umidità relativa dell’aria satura è del 100%. Poiché la capacità dell’aria di contenere vapore acqueo aumenta con la temperatura, ne consegue che, lasciando invariate la quantità di vapore acqueo contenuta in un certo volume d’aria e la pressione, l’ umidità relativa diminuisce all’aumentare della temperatura e viceversa. Questo perchè al crescere della temperatura è richiesta una maggiore quantità di vapore acqueo per raggiungere la saturazione. un esempio→ Con un valore di umidità assoluta di 4,8 grammi per metro cubo ● a temperatura di 0 gradi centigradi questo corrisponde ad un’umidità relativa pari al 100%, vapore acqueo in eccesso condensa e si forma una nebbia consistente ● ad una temperatura di 30 gradi centigradi l’umidità relativa è pari al 15% e l’aria risulta secca ed asciutta
Causa dello spostamento verso l’alto può essere anche l’incontro con un’altra massa d’aria più densa che si incunea sotto la prima. Anche in questo caso la risalita dell’aria provoca il suo raffreddamento fino al raggiungimento del punto di saturazione e la condensazione del vapore acqueo, con formazione delle nubi.
