Atmosfera e suoi strati

Atmosfera

L'atmosfera è lo strato di gas che circonda un pianeta che ha sufficiente massa (e quindi gravità) per trattenerla. Quasi tutti i pianeti hanno un'atmosfera, per quanto sottile.
L'atmosfera del pianeta Terra ha alcune caratteristiche che la rendono unica nel sistema solare. Mentre le atmosfere dei pianeti rocciosi (Mercurio, Marte, Venere) sono composte principalmente da anidride carbonica (CO2) e quelle dei pianeti esterni (Giove, Saturno, Urano, Nettuno) sono composte dagli stessi gas (H e He) che compongono tutto il pianeta, l'atmosfera terrestre è l'unica a contenere ossigeno e vapore acqueo, frutto delle condizioni di temperatura e dell'effetto della fotosintesi.
Per pressione atmosferica si intende la forza esercitata dal peso delle molecole di gas presenti sopra il punto di misura. Essa, secondo la legge di Pascal, si esercita in tutte le direzioni e questo, assieme al fatto che i liquidi sono incomprimibili, permette ai nostri corpi di non percepire questa pressione (seppur essa sia di 1kg per ogni cm2 di superficie).
La nostra atmosfera contiene la maggior parte dei gas (99%) nei primi 50 Km, ma è molto complesso stabilire quali siano i confini tra l'atmosfera e lo spazio esterno. Per convenzione si stabilisce a 100Km (linea di Karaman) la quota a cui si considera "astronauta" chi la superi.
L'atmosfera si può suddividere in strati con precise caratteristiche, separati da discontinuità.
La troposfera è la parte dell'atmosfera più vicina al suolo (8-17 Km di spessore), è sede di tutti i fenomeni meteorologici, del 75% dei gas totali dell'atmosfera e di tutto il vapore acqueo. La troposfera è riscaldata dal suolo e ha un gradiente di temperatura di circa 6.5°C ogni 1000 m di quota. A circa 12 Km di altitudine si incontra la zona chiamata tropopausa, con una temperatura stabile di -55°C.
Dopo la tropopausa inizia la stratosfera. Questa parte dell'atmosfera, spessa dalla tropopausa fino a 50 Km di altitudine, è riscaldata dall'energia assorbita dallo strato di ozono, posto nella parte superiore della stratosfera a circa 50 Km di altezza. La temperatura quindi passa da -55°C a circa 0°C al confine della stratosfera (detto stratopausa).
L'ozono (O3) è un gas che è in grado di bloccare i raggi ultravioletti, che altrimenti sterilizzerebbero il pianeta, creando gravi danni al DNA. La piccola quantità che lo strato di ozono fa passare è comunque responsabile degli eritemi solari (scottature) e dei tumori della pelle (melanomi) che affliggono le persone con la pelle bianca.
Dopo la stratopausa la temperatura ritorna a diminuire con l'altitudine nello strato chiamato mesosfera (50-100 Km). Qui bruciano la maggior parte delle meteore e la temperatura scende gradualmente fino a -140°C a 100 Km di altitudine (mesopausa). Man mano che si sale i gas sono sempre più rarefatti (nella mesosfera ci sono meno dell'1% dei gas totali dell'atmosfera).
Dopo la mesopausa inizia la termosfera (100-500 Km) che contiene gas estremamente rarefatti, le cui molecole si muovono a velocità impensabili negli strati bassi dell'atmosfera. Queste velocissime molecole sono le responsabili della ionosfera, uno strato che riflette le onde radio permettendo di comunicare con esse oltre la curvatura del pianeta e che è sede delle aurore polari, dovute all'interazione tra energia emessa dal sole e ionosfera. Il limite della termosfera è detto termopausa ed è la quota a cui orbitano la maggior parte dei satelliti (circa 500 Km).
Oltre la termopausa si entra nell'esosfera, dove sono presenti solo gas leggerissimi (H ed He). Fortunatamente la massa totale dei gas che fuggono dalla gravità terrestre è pari a quella dei gas che ne vengono attirati. Per questo l'atmosfera terrestre ha uno spessore stabile.
Storia dell'atmosfera terrestre

La storia dell'atmosfera è una sequenza di fenomeni fisici e chimici che hanno portato alla composizione atmosferica attuale, a partire dai gas eruttati dai vulcani primordiali durante il raffreddamento del pianeta e la formazione della crosta terrestre.
In origine l'atmosfera era composta principalmente vapore acqueo (H2O; 74%), anidride carbonica (CO2 12%), ossidi di zolfo (SO2 9%), Azoto (N2 5%) e piccole quantità di altri gas. Sulla superficie non poteva esserci acqua liquida perché la temperatura del pianeta superava abbondantemente i 100°C.
Con il raffreddamento del pianeta circa 4 miliardi di anni fa si formarono gli oceani e la maggior parte del vapore acqueo lasciò l'atmosfera, assieme a una parte della CO2 e del SO2 che si sciolsero in acqua.
La nascita della vita sul pianeta (circa 3.5 miliardi di anni fa) cambiò poi radicalmente la composizione dell'atmosfera, mentre essi fruttavano carbonio e zolfo per costruire le loro cellule. Questi gas vennero in parte eliminati dall'atmosfera e quando gli organismi viventi morivano una parte dei gas venivano sepolti nei sedimenti del fondo con i loro corpi.
Circa 2.2 miliardi di anni fa l'avvento dei primi batteri fotosintetici (ossia in grado di combinare acqua e anidride carbonica per produrre zuccheri, rilasciando come scarto ossigeno) cambiò in maniera radicale la composizione dell'atmosfera con la comparsa del gas O2 (ossigeno).
La presenza di questo gas iniziò a formare lo strato di ozono, schermando la superficie dai raggi ultravioletti e permettendo la vita sulla terraferma.
Ad oggi l'atmosfera risulta composta per il 78% da azoto (rimasto inalterato in questi processi chimici), per il 21% da ossigeno (tutto frutto della fotosintesi). Rimane poi una piccola quantità di CO2 che le piante continuano ad usare come fonte di carbonio e che negli ultimi 200 anni è di molto aumentata a causa dell'uso di combustibili fossili dopo la rivoluzione industriale. Questo aumento sta riscaldano l'atmosfera (riscaldamento globale), dato che la CO2 (assieme al metano e al vapore acqueo) è in grado di trattenere il calore proveniente dal suolo generando l'effetto serra.

Temperatura dell'aria

Come già detto la troposfera è scaldata dal calore riflesso dal terreno. Quindi la temperatura, al netto delle differenze di latitudine e di stagione, è maggiore al suolo e diminuisce aumentando la quota.
Per escursione termica annua si intende la differenza tra la temperatura massima e minima misurate in un anno in un dato luogo. Per escursione termica giornaliera si intende la differenza tra temperatura massima e minima in un singolo giorno in un dato luogo. L'escursione termica diminuisce in presenza di masse d'acqua o alta umidità perché l'acqua è più lenta a riscaldarsi e raffreddarsi dell'aria. Per questo nelle località di mare l'escursione termica è minore, mentre è massima nei deserti. Si può rappresentare la temperatura su una carta mediante delle isoterme, linee che uniscono tutti i luoghi con la stessa temperatura.

Variazioni di Pressione Atmosferica e Venti

La pressione atmosferica può essere misurata con uno strumento chiamato barometro. Vi sono diverse unità di misura con cui essa è definita. Le più usate sono il Pascal (Pa, unità di misura della pressione nel SI), l'Atmosfera (1 atm = 101324 Pa) e il bar (1 bar = 1,013 atm). La pressione diminuisce con l'altitudine. A 2000 metri si ha circa l'80% della pressione rispetto al livello del mare, a 5000 meno del 50%, a 10km di altitudine la pressione è meno di un quarto di quella a livello del mare e la respirazione è del tutto impossibile.
L'aria calda ha una minor densità rispetto all'aria fredda. Ciò significa che nello stesso volume di aria calda c'è una quantità minore di molecole di gas. Per questo motivo l'aria calda tende a salire creando una corrente ascensionale e "galleggiando" sopra quella fredda, cosa che permette alle mongolfiere di volare.
Questo significa che il diverso riscaldamento del suolo può generare zone con aria più calda che tenderà a salire e zone dove invece l'aria più fredda tenderà a scendere. Queste zone sono dette di Bassa e Alta pressione e possono essere rappresentate grazie alla cartina delle isobare, linee che indicano le zone dell'atmosfera con la stessa pressione e che indicano con le lettere A e B (o in quelle inglesi H e L) le zone di alta e bassa pressione. Anche la presenza di umidità nell'aria abbassa la pressione atmosferica in quanto la molecola di vapore acqueo pesa meno degli altri gas. Il massimo dell'alta pressione sarà quindi un'aria fredda e secca, mentre il massimo della bassa pressione sarà aria calda e umida.
Le aree di alta pressione, dette anche anticicloniche, sono generalmente associate a tempo soleggiato, mentre quelle di bassa pressione, dette cicloniche, a precipitazioni.
A riequilibrare le aree di alta e bassa pressione è il vento, il quale, ovviamente, soffia da una zona con pressione più alta verso una zona con pressione più bassa.
Il pianeta possiede delle zone in cui le differenze di pressione, portate dal diverso riscaldamento dovuto all'inclinazione dell'asse terrestre e alla rotazione del pianeta stesso, causano spostamenti di enormi masse di aria.
Ai poli l'aria estremamente fredda e secca forma una costante alta pressione (cella polare). Da essa partono i venti polari che si spostano verso la regione temperata.
A livello del circolo polare questa aria fredda incontra l'aria relativamente calda proveniente dai tropici, causandone la risalita. Quest'aria sale in quota e ritorna verso i tropici, dove ricade. Questo ciclo è detto cella di Ferrel e causa una zona umida attorno al circolo polare, e zone desertiche sui tropici.
I deserti tropicali sono anche causati dal ciclo imposto dalla cella di Hadley. Il sole riscalda molto le aree attorno all'equatore, causando una bassa pressione e la risalita di aria calda. Quest'aria perde l'umidità salendo e si sposta verso i tropici, ricadendo su di essi. Per questo motivo all'equatore troviamo aree molto piovose e ai tropici aree desertiche.
La combinazione di questi movimenti di aria lungo il profilo del pianeta genera dei forti venti dominanti. La rotazione del pianeta causa una deviazione di queste masse d'aria (per effetto di Coriolis). In questo modo si generano i venti dominanti. Lungo l'equatore soffiano gli Alisei, in direzione Ovest, nella fascia tra il tropico e il circolo polare soffiano i Westerly, verso Est. Infine nelle regioni polari troviamo i venti polari che soffiano verso Ovest.
Dato che l'acqua si riscalda e raffredda più lentamente rispetto al suolo si possono generare differenze di pressione (e quindi venti) durante le stagioni (venti stagionali) , ma anche durante un singolo giorno (brezze di mare e di terra).
La direzione del vento è espressa dalla rosa dei venti e misurata dalla banderuola, mentre la sua forza è misurata dall'anemometro in m/s o nodi, utilizzando la scala Beaufort (suddivisa in 12 gradi da calma piatta a uragano). La forza del vento può essere sfruttata per generare elettricità, detta eolica (da Eolo, dio greco dei venti).

Umidità e Nuvole

L'aria può contenere una quantità variabile di molecole di vapore acqueo. Il massimo di acqua (detto limite di saturazione) si esprime in g/m3 ed è dipendente dalla temperatura dell'aria stessa. Ad una maggior temperatura corrisponde una maggior capacità dell'aria di trattenere acqua in forma di gas. La percentuale del massimo teorico che l'aria effettivamente contiene è detta umidità relativa ed è misurata tramite l'igrometro. Se a 20°C il limite di saturazione è di 10 g/m3 e in aria sono presenti 4.5 g/m3 di vapore acqueo avrò una umidità relativa del 45%.
Se la temperatura si abbassa, diminuisce anche il limite di saturazione. L'aria si può quindi trovare con più vapore di quanto può contenerne. Questo causa la condensazione (ritorno allo stato liquido) del vapore, che avviene sempre attorno a minuscole particelle di pulviscolo, detti nuclei di condensazione. La condensazione del vapore è alla base della formazione della nebbia, della rugiada/brina e delle nuvole. Una massa di aria calda e umida che sale si raffredderà, causando la condensazione del suo vapore e quindi una nuvola. Questo può avvenire sia per le correnti ascensionali dovute al riscaldamento del suolo, sia
Le nuvole si classificano in base alla forma. I Cirri sono nuvole che si formano ad alta quota, composte prevalentemente da aghi di ghiaccio. Gli strati sono nuvole molto disperse che coprono ampie aree, mentre i cumuli sono nuvole con l'aspetto di un batuffolo di ovatta. Cumuli e strati su formano ad altitudini basse o intermedie.
Con l'aggiunta della parola nembo si indica una nuvola che da origine a precipitazioni (ad esempio cumulonembo o nembostrato).

Fronti

Due masse di aria con temperatura e umidità diverse (e quindi con densità diverse) si mescolano con molta fatica. Questo genera dei fronti nei punti dove due masse d'aria a diversa densità vengono in contatto. I fronti possono essere di tre tipi (caldi, freddi e occlusi) e vengono rappresentati sulle carte delle isobare con linee rosse, blu o viola.
I fronti freddi si formano quando una massa di aria fredda in movimento ne incontra una di aria calda e umida. L'aria calda è spinta in quota molto rapidamente e si raffredda. Questo causa la condensazione di cumulonembi e quindi causa precipitazioni violente (temporali) su un'area abbastanza piccola (dato che il fronte è ripido).
I fronti caldi si formano quando una massa di aria calda in movimento ne incontra una fredda. L'aria calda tenderà a scorrere su quella fredda salendo lentamente di quota e formando un fronte molto ampio e poco ripido Questo tende a formare nembostrati e cirri e quindi precipitazioni di bassa intensità su una zona ampia anche 1000 Km.
Siccome i fronti tendono a ruotare attorno alle aree di bassa pressione (per la forza di Coriolis), i fronti freddi che sono più veloci tendono a raggiungere quelli caldi, formando i fronti occlusi, con caratteristiche di entrambi i tipi (nubi a cumulo, ma anche a strato o cirro, precipitazioni intermedie su una area vasta).
In generale nelle zone di bassa pressione troveremo più nuvole e sotto le zone dei fronti avremo le precipitazioni. Le precipitazioni avranno carattere nevoso se la temperatura lungo il loro tragitto verso il suolo si manterrà sotto gli 0°C.
Correnti ascensionali molto forti in cumulonembi possono causare la formazione di sfere di ghiaccio sempre più grandi, che poi cadranno sotto forma di grandine.

Atmosfera e geosfera

I venti possono modellare il paesaggio trasportando particelle di varie dimensioni ed erodendo il suolo. Le particelle possono andare in sospensione e quindi volare ed essere trasportate per centinaia di kilometri o rimanere vicine al suolo, saltellando o rotolando. Il fenomeno che elimina le particelle più sottili da un suolo a causa del vento è detto deflazione.
La tempesta di sabbia è uno spostamento in massa di fini particelle di sabbia dovuta ai venti che soffiano sui deserti (a causa delle celle di Hadley e Ferrel e delle forti escursioni termiche).