L’atmosfera terrestre

L’atmosfera è un involucro gassoso areiforme trattenuto dalla forza di attrazione gravitazionale della Terra, costituito da 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.
Come un enorme filtro, l’atmosfera protegge la Terra dalle radiazioni nocive e ne regola il riscaldamento da parte del Sole.
L’atmosfera influenza non solo il rilievo terrestre di cui contribuisce a plasmare gli aspetti, mediante processi chimici di alterazione delle rocce e con processi fisici di disgregazione, trasporto e deposizione dei materiali rocciosi, ma determina attraverso l’azione dei venti i movimenti marini.
Questo involucro gassoso che circonda la Terra, ha struttura non omogenea e 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.

Troposfera

Questo strato costituisce la parte più bassa e più densa dell’atmosfera. Qui sono concentrati, infatti, circa i ¾ dell’intera massa gassosa e quasi tutto il vapore acqueo dell’atmosfera.
L’aria della troposfera viene riscaldata e raffreddata essenzialmente dalla  superficie terrestre e per questo motivo la sua temperatura (T) diminuisce con l’altezza con un gradiente termico verticale medio di G_Th ≈ – 0,6 °C/100 m.
Al livello del mare la T media dell’aria (T_ma) nelle regioni equatoriali è T_ma≈ 25°C, mentre nelle regioni polari è T_ma≈ -10°C.
Qui si svolge la vita e si verificano le perturbazioni metereologiche.
La troposfera è caratterizzata da movimenti orizzontali e verticali di masse l’aria, legati alla rotazione terrestre e agli squilibri termici.
Le correnti aeree dominanti sono occidentali e la loro velocità in genere cresce con l’altezza, raggiungendo il massimo verso la tropopausa (fino ad h = 400-500 km). Il loro flusso orizzontale provoca moti turbolenti che producono  rimescolamento dell’aria.
A causa dei moti verticali ascendenti delle masse d’aria si formano e si dissolvono le nubi portando alle precipitazioni.
Al limite della troposfera si raggiungono temperature più basse in corrispondenza dell’Equatore (-70°C) che in corrispondenza dei poli (-45°C).
La parte superiore della troposfera, la tropopausa è la zona in cui il G_Th, presenta un’inversione e la T_ma comincia a salire con l’altezza.

Stratosfera
I componenti gassosi sono sempre più rarefatti, ma si mantengono in proporzione costante. Il vapore acqueo e le componenti solide come il pulviscolo atmosferico diminuiscono rapidamente con l’altezza.
In questa zona non si hanno formazioni nuvolose che producono precipitazioni. Intorno ai 20-30 km appaiono a volte nubi sottili e iridescenti costituite da cristalli di ghiaccio (nubi madreperlacee).

Ozonosfera
Nella stratosfera la T si mantiene su valori prossimi a quelli della tropopausa fino ad una quota di circa 20 km, poi aumenta verso l’alto con un G_Th ≈ 1-3° C/km.
Questo aumento è dovuto alla presenza di uno strato di ozono (O₃).
Questa fascia, quindi, prende il nome di ozonosfera. Essa costituisce una barriera che assorbe gran parte delle radiazioni solari ultraviolette (UV) specie di più alta energia.
L’energia degli UV (E_UV)scindono le normali molecole biatomiche dell’ossigeno, e una parte dell’ossigeno atomico forma molecole di O₃.

O₂ + E_UV ⇒ O + O
O₂ + O ⇒ O₃

Ad h ≈ 20 km la concentrazione di O₃ aumenta fino ai 50-60 km, dove si raggiungono T = 0-10°C fino ad un massimo di T=17°C, per effetto dell’assorbimento dell’energia solare sotto forma di radiazione UV.
In corrispondenza di questo massimo di temperatura è localizzata la stratopausa che può avere livelli sovrapposti con diversa densità.
Nella stratopausa si svolge un’intensa circolazione di aria con notevoli variazioni anche orizzontali della T e venti che possono raggiungere velocità molto elevate.

Mesosfera
L’aria è sempre più rarefatta, mentre relativamente alla concentrazione, prevalgono gli elementi più leggeri su quelli più pesanti.
La T riprende a diminuire con l’altezza e raggiunge il valore massimo di T ≈ -70 -90°C a h ≈ 80 km.
A questa quota è possibile osservare le nubi nottilucenti costituite da cristalli di ghiaccio e polveri minutissime.
Anche nell’alta atmosfera esiste un complesso sistema di correnti aeree con v ≤ 300 km/h.
Connessi a questi moti sono le variazioni in altezza della mesopausa

Termosfera
La densità (ρ) assume valori sempre minori andando salendo di quota.
La T aumenta costantemente con l’altezza tanto da raggiungere T = 0° C intorno ad h = 110 ÷ 120 km. Ad h = 150 km raggiungerebbe T = 100°C, mentre al limite superiore, in prossimità della termopausa sarebbe intorno a T =1000 °C.
Queste T devono essere intese come temperature cinetiche (T_k).

Ionosfera
Oltre il limite superiore della mesosfera e per quasi tutta la termosfera, ovvero da h = 50 ÷ 70 km e fino a h = 300 ÷ 400 km, l’atmosfera risulta ionizzata.
La radiazione X ed UV solare e i raggi cosmici eccita le particelle provocandone la ionizzazione.
Questa fascia viene chiamata quindi ionosfera.
Nella ionosfera si formano le aurore boreali che si manifestano nelle regioni polari ad altezze di un centinaio di chilometri ma sono state notate anche intorno ai 1000 km.

Esosfera
E’ parte più esterna e meno conosciuta. La T di questa sfera aumenta con l’altezza fino a T_k = 2000°C.
Le particelle dei gas che costituiscono l’esosfera hanno velocità enormi, ma la probabilità di collisione fra di loro è estremamente ridotta per effetto della bassissima ρ. Queste particelle compiono orbite ellittiche e possono quindi allontanarsi e rientrare nel campo gravitazionale terrestre, ma solo se la velocità è inferiore alla velocità di fuga ossia 11,2 km/s).

Frangia dell’atmosfera
In questa zona, vi sono le particelle di gas che ormai sono sfuggite al campo gravitazionale terrestre.

I componenti principali dell’atmosfera

I componenti principali sono:
• Azoto (78 %), N2
• Ossigeno (21 %), O2
• Argon (0,94 %), Ar
L’aria viene arricchita in N2 dalle decomposizioni organiche e dalle eruzioni vulcaniche.
L’ N₂ è importantissimo in alcuni processi biologici.
L’ O₂ è fondamentale per l’attività biologica e prende parte a numerosi processi chimici.
L’Ar 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
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.
Sono presenti in atmosfera nelle seguenti concentrazioni medie:

CO₂, circa 0.03% (attualmente circa 420 ppm)
CH₄, 1.785 ppm
N₂O, in media 0.31 ppm.

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 (O)

Come già trattato, 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. La reazione di formazione dell’ozono 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 si ha l’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 [NO₃]^–, 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 [NH]⁴⁺. 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

Altri gas presenti in atmosfera sono:

• Neon (Ne)
• Elio (He)
• Kripton (Kr)
• Xenon (Xe)

Gli aerosol

Sono sostanze 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 (vedi approfondimento areosol).

Il vapore acqueo (H₂O_vap)

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.

Il sistema metereologico

L’atmosfera, la radiazione solare e il bilancio termico del sistema Terra
La radiazione solare, è assai intena (5,2 ·10²⁴ kilocal/min), ma la quantità di radiazione solare che raggiunge il limite superiore dell’atmosfera terrestre è soltanto di 2 cal/min/cm², che rappresenta la costante solare.
Una parte di questa radiazione viene riflessa (31%) quando attraversa l’atmosfera, una parte assorbita (18%) e soltanto poco più della metà va a costituire la radiazione globale (51%) che raggiunge la superficie del globo terracqueo. Quest’ultimo a sua volta riflette un ulteriore 4% della radiazione solare.
Complessivamente il sistema Terra-Atmosfera ha un potere riflettente (o albedo) pari a circa il 35% della radiazione solare in arrivo.
La radiazione che effettivamente viene assorbita dalla Terra (47% del totale) viene riemessa nuovamente dal nostro pianeta sotto forma di radiazioni a onde lunghe che contribuiscono al riscaldamento dell’atmosfera.
Considerando un intero anno ed il globo terrestre ne suo complesso, il sistema Terra-atmosfera è in equilibrio termico poiché restituisce allo spazio la stessa quantità di energia che riceve dal Sole.

L’atmosfera si riscalda dal basso e si mantiene calda grazie all’effetto serra causato da alcuni componenti dell’atmosfera, come CO₂ e H₂O_(vap), in grado di assorbire la radiazione emessa dalla superficie terrestre.

La temperatura dell’aria (T_a)

Al riscaldamento dell’atmosfera è legata la Ta.

I suoi valori sono influenzati da vari fattori geografici:

• altitudine
•  latitudine
• esposizione dei versanti
•  distribuzione delle terre e dei mari
• vegetazione

La distribuzione della T sulla superficie terrestre viene evidenziata sulle carte
geografiche tramite isoterme (linee che uniscono i punti con uguale valore della T).
Le carte delle isoterme possono riguardare le T giornaliere, mensili, stagionali o annue. Le carte delle isoterme indicano l’esistenza sulla Terra di diverse zone termiche, che non coincidono con le zone astronomiche.
Le carte delle isodiafore mostrano invece l’andamento dell’escursione termica media annua dedotta dalla differenza tra le T_m medie del mese più caldo e quelle del mese più freddo.

La pressione atmosferica (P_a) e i venti

La P_a è definita come :

P_a = W_a/A

dove

W_a (peso dell’aria)
A (superficie di azione)

P_{a (T = O°C, lat 45° C, s.l.m.)} = 760 mm(Hg) = = 1 Pa (pascal) = 10² millibar 

La P_a varia da luogo a luogo in funzione di fattori geografici e meteorologici:

• altitudine
• temperatura
• quantità di vapore acqueo contenuta nell’aria

La distribuzione della P_a sulla superficie terrestre viene riportata sulle carte geografiche per mezzo delle isobare (linee che uniscono i punti di ugual pressione riportata a livello del mare (s.l.m.), a T=temperatura di 0 °C) e alla gravità normale.
Le isobare delimitano zone di alta pressione (HP_a) o anticicloni, e zone di bassa pressione (BP_a), o cicloni.

Gli anticicloni sono costituiti da aria densa e pesante che si sposta verso il basso e verso le aree BP_a con moto vorticoso, i cicloni al contrario sono aree formate da aria che riscaldandosi si espande  e si sposta verso l’alto convergendo  vorticosamente al centro.
I venti sono prodotti dalle differenze nella distribuzione orizzontale, ossia i flussi d’aria si instaurano dalle zone di alta pressione alle zone di bassa pressione, per ristabilire l’equilibrio barico. I venti sono deviati dalla forza di Coriolis (verso destra nell’emisfero settentrionale, verso sinistra nell’emisfero australe). I venti sono tanto più veloci quanto maggiore è il gradiente barico, ovvero la differenza di pressione fra un area HP_a ed una a BP_a.
Alcuni venti possono spirare alternativamente in direzioni opposte, come conseguenza del verificarsi di inversioni bariche ritmiche. È il caso delle brezze (con ritmo diurno e notturno) e dei monsoni (con ritmo stagionale).

La circolazione generale dell’atmosfera

La circolazione generale dell’atmosfera è regolata dalla distribuzione dei diversi valori della P_a. La circolazione generale nella bassa troposfera è fortemente influenzata dalla presenza delle terre emerse e dei mari.

Sistemi di venti

La bassa troposfera è caratterizzata da tre sistemi di venti:

• alisei (HP subtropicali ⇒ LP equatoriali)
• venti occidentali (HP subtropicali ⇒ LP subpolari)
• venti polari (HP polari ⇒ LP subpolari)

Le aree di diversa pressione non costituiscono fasce continue, ma sono distribuite in una serie di cellule (o celle) che si spostano con le stagioni.
Nell’alta troposfera (3000-5000 km), la circolazione è invece a zone: le correnti occidentali scorrono nei due emisferi, separate da una ristretta zona intertropicale di correnti orientali.
Le correnti occidentali comprendono le correnti a getto (JS), dotate di velocità elevatissime, il cui asse si sviluppa a una latitudine media (LAT), LAT = 40° e ad un’altezza (h) h ≈ 12 km. Si sposta verso Nord e verso il basso durante l’estate boreale e verso Sud e verso l’alto durante l’inverno. Le JS hanno anche variazioni settimanali della velocità (v), che comportano la formazione di onde orizzontali sempre più accentuate. La posizione in LAT, la v e l’ampiezza delle ondulazioni delle correnti zonali dell’alta troposfera sono responsabili dei fenomeni che hanno luogo nella bassa troposfera.

L’umidità dell’aria e le precipitazioni

Il vapore acqueo presente nell’atmosfera proviene da:

• evaporazione del mare (a cui si aggiunge quella dei laghi e dei fiumi) in misura prevalente
• traspirazione delle piante in misura minore

Gli effetti di questi due processi determinano l’umidità atmosferica.

Umidità assoluta (UA) 

UA = m_vap / V  [g/m³]

Aumenta con la T e tende a diminuire con h.

Limite di saturazione (LS)

E’ La quantità massima di vapore acqueo che può essere contenuta in un volume d’aria a una data temperatura

LS = m_{vap (max)}/V [g/m³]

Umidità relativa (UR) 

UR (%)= UA / SL (a T)

Quando l’aria è satura (UR=100%), ogni eccesso di vapore provoca la condensazione o la sublimazione di quest’ultimo e la formazione di goccioline d’acqua o ghiaccio che originano nubi o nebbie. Quando le gocce d’acqua raggiungono dimensioni cospicue, danno origine alle precipitazioni.
Le isoiete, linee che congiungono tutti i luoghi con uguali precipitazioni medie (annue, mensili o stagionali rappresentano sulle carte geografiche la distribuzione delle precipitazioni sulla superficie terrestre grafiche mediante le isoiete.

Strumenti di misurazione

Umidità dell’aria

L’igrometro è uno strumento che misura l’umidità relativa dell’aria, ovvero il rapporto tra l’umidità assoluta, definita come la quantità di vapore acqueo presente nell’atmosfera in un dato istante, e l’umidità di saturazione, cioè la quantità massima di vapore acqueo che può essere presente ad una data temperatura e pressione. Entrambe si esprimono in termini di peso del vapore acqueo per unità di peso di aria secca e sono quindi adimensionali. Mentre l’umidità relativa, anch’essa adimensionale, si esprime in percentuale come rapporto tra le due umidità assolute.

 

Il tempo atmosferico e le perturbazioni cicloniche

Il tempo atmosferico è regolato da cicloni e anticicloni temporanei e pertanto rappresenta la risultante di un  complesso delle condizioni fisiche che caratterizzano  l’atmosfera in un dato momento e in un determinato luogo.
Possiamo distinguere

• cicloni tropicali (i più violenti fenomeni meteorologici che si
  verificano sulla Terra) – hanno origine sul lato orientale degli oceani in prossimità dell’Equatore, si spostano E a W e sono accompagnati da intense precipitazioni e da venti velocissimi
• cicloni extratropicali – interessano le medie latitudini e sono causati dall’incontro di masse d’aria calda tropicale con masse d’aria fredda polare, lungo il fronte polare. L’aria più fredda e più pesante tende a incunearsi sotto l’aria calda più leggera; il fronte si ondula e si forma un nucleo di LP. Quando l’ondulazione si accentua, si individuano un fronte caldo e un fronte freddo, l’aria calda viene innalzata e
  il suo raffreddamento provoca le precipitazioni. L’aria fredda solleva l’aria calda sempre più in alto finché quest’ultima viene separata definitivamente dal suolo e la depressione barica si colma e si estingue.