Atmosfera - Struttura e fenomeni

Il nostro pianeta è del tutto avvolto da un involucro aeriforme definito atmosfera (derivsante dal greco “sfera di vapore”), trattenuto dalla forza di attrazione della Terra e pe rquesto motivo costretto a seguirla nei suoi moti.
Come un enorme filtro l’atmosfera protegge il pianeta da radiazioni pericolose e ne regola il riscaldamento da parte del Sole. È elemento fondamentale per la vita animale e vegetale, in quanto fra i suoi componenti figura l’ossigeno e i processi di cui è protagonista coinvolgono l’acqua. D’altra parte dalla vita stessa è fortemente influenzata, in bene ma anche in male, se si pensa agli effetti dannosi dell’inquinamento. Tra l’atmosfera e il resto del sistema terrestre esiste un continuo interscambio di materia ed energia, causa e conseguenza di processi come l’alterazione della crosta terrestre, il trasporto e la deposizione di materiali rocciosi, il generarsi delle onde, la circolazione dell’acqua tra gli oceani e i continenti.
La Meteorologia, la scienza che studia “le cose che sono in alto”, ha stabilito che la composizione dell’atmosfera non è ovunque omogenea (omosfera ed eterosfera). L’aria che ci circonda è mediamente costituita da una massima parte di azoto (circa il 78%), da una buona quantità di ossigeno (20%), e da una serie di gas quali l’argon, l’anidride carbonica, il neon, l’elio e l’ozono. A questi elementi si aggiungono in genere tutte quelle sostanze di cui l’aria è il tramite: una serie di impurità note come pulviscolo atmosferico (provenienti dalla superficie terrestre e dallo spazio interplanetario) e soprattutto il vapore acqueo.
Di tutti i componenti dell’atmosfera fondamentale è l’ossigeno, la cui variante triatomica - l’ozono (O3) - rappresenta un’importante protezione contro le radiazioni solari. L’anidride carbonica è a sua volta essenziale per la vita vegetale e trattiene il calore terrestre nello spazio circostante.
Sulla base dei dati meteorologici si può suddivide l’atmosfera in diversi strati (sfere) interconnessi da aree di transizione definite pause.

La troposfera è lo strato inferiore e più denso dell’atmosfera, il regno della vita e delle più vaste perturbazioni meteorologiche (in essa si concentra la maggior parte del vapore acqueo dell’aria). Lo spessore di questo strato è maggiore nella fascia equatoriale e va assottigliandosi in direzione dei poli (da 8 a 17 km). Le sue caratteristiche termiche dipendono quasi esclusivamente dal calore dissipato dalla superficie terrestre, dunque la sua temperatura si riduce con l’altitudine (gradiente termico verticale).
La troposfera è caratterizzata da numerosi movimenti orizzontali e verticali di masse d’aria, legati essenzialmente alla rotazione terrestre e agli squilibri termici. Ad essi si deve il continuo rimescolamento dell’aria, la formazione e la dissoluzione delle nubi che portano alle precipitazioni.

La stratosfera presenta una composizione proporzionalmente identica ma più rarefatta rispetto alla troposfera. Vapore acqueo e pulviscolo atmosferico vanno scomparendo, così come le nubi: scarse, sottili e iridescenti (nubi madreperlacee). La temperatura della stratosfera rimane stabile per un primo tratto, quindi cresce in corrispondenza di una fascia chiamata ozonosfera, un vero e proprio “scudo” contro parte delle radiazioni solari. Anche la stratosfera è teatro di forti correnti d’aria, d’intensità a volte molto elevata.

La mesosfera è caratterizzata dal graduale aumento degli elementi leggeri dell’aria a scapito di quelli più pesanti. La temperatura riprende a scendere con l’altezza fino a raggiungere valori minimi.
Nella mesosfera si formano rare nubi sottili e brillanti dette nottilucenti (visibile nei tramonti d’Estate), la cui osservazione ha condotto alla scoperta di complesse correnti aeree.

La successiva termosfera presenta una composizione aerea sempre meno densa e di proporzioni completamente mutate. In questo strato la temperatura riprende a crescere vertiginosamente, fino a lambire - si pensa - il migliaio di gradi all’altezza della tropopausa.

L’esosfera è lo strato più esterno dell’atmosfera, e perciò il meno conosciuto. Attraverso osservazioni indirette si è ricavato che la temperatura in quest’ultima fascia atmosferica cresce fino ai massimi valori registrati. Il limite esterno dell’esosfera è definito da un’area detta frangia dell’atmosfera, dove parte dei gas ormai scomposti vince l’attrazione terrestre e si perde nello spazio.

Il vapore acqueo presente nell’atmosfera proviene principalmente dalla continua evaporazione del mare e, in misura subordinata, dalla traspirazione delle piante. L’intensità e la distribuzione di entrambi i processi variano in base ai fattori climatici, e si osservano soprattutto negli effetti che producono (umidità dell’aria).
L’aria, tuttavia, non può contenere una quantità illimitata di vapore acqueo, poiché ad un certo punto ne diviene satura. Il sua limite di saturazione varia proporzionalmente alla temperatura, e cioè cresce o decresce con essa. Quando l’aria è satura ogni eventuale eccesso di vapore viene eliminato (per condensazione o brinamento), che sia dovuto al suo effettivo aumento o ad un abbassamento del limite di saturazione dell’aria stessa. La più immediata manifestazione di questo processo consiste nella formazione di minuscole goccioline d’acqua, che sospese nell’aria vanno a comporre, assieme a cristalli di ghiaccio altrettanto piccoli, le nebbie e le nubi (o nuvole). Le prime hanno origine presso il suolo terrestre in prossimità di superfici fredde, le seconde si formano ad altitudini più elevate, fino e a volte oltre i limiti della troposfera, ed assumono infinite varietà di forme e colori.

Le nubi sono masse d’aria e d’acqua in continuo disfacimento e riformazione. Parte del vapore acqueo condensato o sublimato tende infatti ad approssimarsi al suolo, ma a causa di temperature maggiori evapora nuovamente e si ricongiunge alle nubi.

Quando gli ammassi nuvolosi diventano troppo massicci e densi perché l’aria li sostenga, hanno luogo le precipitazioni. Le più comuni e frequenti avvengono in forma liquida e costituiscono la pioggia. Ma anche precipitazioni solide come la neve o la grandine non sono poi così rare, specialmente nei climi temperati o polari. Una particolare forma di condensazione del vapore acqueo è, infine, la rugiada, che si forma talvolta nelle notti d’Estate quando il suolo umido si raffredda più rapidamente dell’aria sovrastante. In Inverno un analogo processo dà luogo alla diretta sublimazione del vapore, e cioè a quella patina di ghiaccio detta brina.

La distribuzione delle precipitazioni sulla superficie terrestre è estremamente diseguale, poiché si tratta di fenomeni fortemente influenzati dalla temperatura. Per questo si usa distinguere le zone più piovose (zone umide) dalle zone aride.

La temperatura dell’aria, comunemente espressa in gradi Celsius (°C), è un primo fattore fondamentale nei processi che si verificano sulla superficie terrestre. Il suo valore è fortemente influenzato da una serie di fattori geografici quali l’altitudine, la latitudine, l’angolo di esposizione ai raggi solari, la posizione di mari e terre (che hanno regimi termici diversi) e la presenza di vegetazione. È possibile ripartire la superficie della Terra in zone termiche, proprio in base alla misura in cui questi fattori concorrono.

Allo stesso modo si determina un’altra importante proprietà dell’aria: la pressione. Si tratta esattamente del peso dell’atmosfera per unità di superficie, rilevato al livello del mare, a latitudine 45° e alla temperatura di 0°C. La pressione, solitamente misurata in millibar (o pascal, N/m2, nel Sistema Internazionale), varia, come la temperatura, in relazione ad alcuni fattori geografici e meteorologici: l’altitudine, il calore dell’aria e la quantità di vapore acqueo in essa diffuso. La sua distribuzione sulla superficie terrestre identifica aree note come cicloni (bassa pressione) e anticicloni (alta pressione). Esse sono direttamente connesse al propagarsi dei fenomeni atmosferici (come le precipitazioni), e sono la causa dei venti.

I venti, infatti, sono flussi d’aria che si verificano dalle zone di alta pressione alle aree opposte per ristabilire l’equilibrio barico. Nel loro tragitto subiscono però l’influenza della rotazione terrestre e talvolta, nel tempo, invertono alternativamente il proprio flusso (brezze e monsoni).