L’atmosfera terrestre

Si tratta di un involucro gassoso che circonda la Terra a struttura non omogenea, che può essere suddiviso in strati:

• Troposfera
  • (regioni equatoriali h = 0-17 km)
  • (regioni polari h = 0-8 km)
• Stratosfera
  • regioni equatoriali h = 17-50 km
  • regioni polari h = 8-60 km
• Mesosfera h = 60-90 km
• Termosfera h = 90-450 km
• Esosfera h = 450-2500 km
• Frangia dell”atmosfera h = 2500 km

L’atmosfera è una miscela di gas, vapore e polveri di varia natura e contiene moltissime e diverse sostanze sotto forma di particelle che possono trovarsi allo stato liquido, solido o gassoso partecipando fra loro a svariati processi chimici e fisici.

I componenti principali dell’atmosfera

I componenti principali sono:

• • Azoto (78 %), N₂
  • Ossigeno (21 %), O₂ 
  • Argon (0,94 %), Ar

L’aria viene arricchita in azoto dalle decomposizioni organiche e dalle eruzioni vulcaniche. L’azoto è importantissimo in alcuni processi biologici. L’ O₂ è  fondamentale per l’attività biologica e prende parte a numerosi processi chimici. L’argon (Ar, 0.95%) è un gas nobile molto stabile.

Componenti in tracce
Numerosissimi sono i componenti minoritari, molti dei quali svolgono ruoli importanti per l’equilibrio biologico del pianeta e per la salute.

I gas serra

• CO₂, circa 0.03%
• CH₄, 1.785 ppm
• N₂O, in media 0.31 ppm,

Intercettano (e in parte riemettono) la radiazione infrarossa emessa per irraggiamento dalla Terra. Questa controradiazione permette al calore associato alla radiazione di restare “intrappolato” nell’atmosfera stessa, riscaldandola. I gas serra proteggono la Terra dall’intensa radiazione solare e la mantengono ad una T favorevole alla vita. Questi gas vengono prodotti durante le eruzioni vulcaniche, nei processi di decomposizione di sostanze organiche, dalle piante durante la respirazione.

Il metano (CH₄)
Viene prodotto naturalmente non solo da organismi animali e vegetali,  sia viventi che fossili (fermentazione e combustione di sostanze biologiche), ma anche dall’uomo (estrazione del carbone e del petrolio). La sua “rimozione” è causata soprattutto dalle reazioni chimiche con il radicale ossidrile (OH). Si trova soprattutto nella Troposfera.

Vari studi effettuati su carote di ghiaccio sia artico che antartico hanno dimostrato che il CH₄ ha avuto una concentrazione variabile, con dei massimi in corrispondenza delle ere interglaciali.

Il protossido d’azoto (N₂O)
E’ maggiore nell’emisfero settentrionale e proviene dall’attività batterica nel suolo, dall’uso di alcuni fertilizzanti e dall’utilizzo dei combustibili fossili. Quasi tutto il protossido di azoto viene distrutto nella Stratosfera da processi di fotolisi.

Altri gas serra

• biossido di zolfo (SO₂),
• ozono troposferico (O₃) ,
• CFC (clorofluorocarburi),
• esafluoruro di zolfo (SF₆)

I gas reattivi

Hanno la capacità di reagire con altri elementi o composti influenzando in modo importante la distribuzione e composizione chimica propria o degli altri.

• Ozono (O₃)
• Monossido di carbonio (CO)
• Monossido o biossido di azoto (NO o NO₂)

Ozono (O₃)

L’O₃ assorbe gran parte dei raggi ultravioletti (UV) del Sole, letali per tutte le forme di vita sulla Terra. Il legame che tiene uniti gli atomi di O è però piuttosto debole.

L’ozono si forma in questo modo: le radiazioni UV scindono O₂ formando due atomi di O libero. Quando gli atomi di O liberi si “scontrano” con le molecole di O₂ allora si fondono e formano l’O₃. Tale reazione non è facile e serve un opportuno catalizzatore.

Nell’atmosfera, la maggiore concentrazione di O₃ si trova tra i 10 e i 50 km di quota (il massimo è intorno ai 25 km). A queste quote infatti si realizza il “miglior” equilibrio tra la quantità di radiazioni UV necessarie per spezzare l’O molecolare e una ρ dell’aria ancora sufficiente a garantire un numero di collisioni tra O atomico e molecolare.

Monossido di carbonio (CO)
Viene prodotto in natura dai processi di ossidazione del CH₄ o degli idrocarburi di origine vegetale. Ma la maggior parte di CO immesso nell’atmosfera è dovuto al consumo di combustibili fossili ed anche per questo rappresenta un classico esempio dei prodotti dell’inquinamento dovuto alle attività umane.

Monossido (NO) e biossido di azoto [NO₂]
L’origine di questi gas è quasi esclusiva prerogativa della combustione ad elevate T di combustibili fossili (a 1200°C l’N può combinarsi con l’O) specie quelli usati nei trasporti;  la loro concentrazione quindi è massima presso i centri abitati e industrializzati. Assai minore è l’apporto naturale (batteri, fulmini, incendi).

Questi due composti compaiono in pratica sempre insieme, in equilibrio. La principale causa di “eliminazione” degli NOx è dovuta ad un’ulteriore ossidazione a formare acido nitrico (HNO₃) e ioni nitrati (NO–3), i maggiori responsabili delle cosiddette “piogge acide”. Tra gli altri composti dell’azoto presenti in atmosfera si possono ricordare l’ammoniaca (NH₃), l’acido nitroso (HNO₂), ed altri ioni a base di azoto come i nitriti (NO–2) e gli ioni ammonio (NH⁴⁺). Altri composti reattivi sono quelli dello zolfo come l’acido solfidrico (H₂S), il biossido di zolfo (SO₂) e i solfati (SO₄^2-) che, se da un lato, come nel caso dei composti dell’azoto, contribuiscono a favorire la condensazione del vapore, dall’altro sono anch’essi responsabili delle piogge acide. Ricordiamo anche il cosiddetto radicale ossidrile (OH), che è una molecola estremamente reattiva, essendo infatti coinvolta in numerosissime reazioni chimiche. Nell’atmosfera terrestre vi sono, infine, anche tracce di idrogeno molecolare (H₂), ma tale sostanza non sembra avere una grande importanza.

Altri gas
Neon (Ne), elio (He), kripton (Kr), xenon (Xe)

Gli aerosol
Sono sostanze (eccetto l’acqua) in sospensione nell’atmosfera allo stato solido o liquido dove le singole particelle hanno una dimensione superiore a quella molecolare.

La rimozione dell’aerosol può avvenire per sedimentazione diretta sul suolo o tramite le precipitazioni. E’ assai importante distinguere gli aerosol in base alla loro dimensione:

• nuclei di Aitken (con diametro fino a 0.1 µm)
• nuclei grandi (da 0.1 µm a 2.5 µm)
• i nuclei giganti (> 2,5 µm).

Il H₂O_vap è presente in natura in misura molto più variabile (la media è intorno all’1% sul volume totale, sulle regioni tropicali e in seno alle masse di aria calda può arrivare al 4%). E’ legato alle variazioni della T e assorbe parte della radiazione infrarossa emessa dalla Terra. Per questo può essere considerato un gas serra.  Imprigionando infatti il calore che altrimenti andrebbe disperso nello spazio e filtrando i raggi solari in entrata, contribuisce a mantenere la T della Terra favorevole alla vita.