L'atmosfera terrestre e la sua evoluzione

L’atmosfera terrestre e la sua evoluzione

Che cosa è successo l’atmosfera durante l’accrezione terrestre? Durante la formazione dei pianeti

i corpi celesti hanno incorporato al loro interno dei gas (per il semplice fatto che la nebulosa solare

conteneva gas e quando si aggregano particelle dell’ordine del millimetro per poi passare a quelle

del centimetro tali elementi rimangono incorporati).

I corpi celesti con la maggiore concentrazione di gas sono le condriti perché rappresentano

materiale primitivo che non è stato processato successivamente; un corpo un po’ più grande come

la Terra ha subito invece una differenziazione che ha fatto si che i gas venissero esplusi: una parte

del pianeta è stata fusa, un’altra parte è stata compressa ad alta pressione e quindi la risultante di

questi due processi è stato produrre un degassamento del materiale condritico e partizionare gli

elementi atmofili (nell’atmosfera).

La Terra ha subito notevoli impatti (soprattutto quello che ha originato la Luna) e quindi in

conseguenza a ciò parte dell’atmosfera primitiva è stata persa; ciò è evidenziato da studi di

concentrazioni di elementi volatili in condriti e sulla Terra (fig.1, pag.23, cap.1) dove è possibile

osservare che gli elementi atmofili sono impoveriti di 2-3 ordini di grandezza sul nostro pianeta

rispetto al materiale primitivo (sia gas reattivi che nobili).

La Terra durante la storia di impatti ha perso circa il 99% della sua atmosfera.

La domanda principe di tutto il capitolo è: l’atmosfera terrestre attuale è un’atmosfera residuale

primaria oppure è un’atmosfera completamente secondaria?

Una teoria che suonerebbe ragionevole è quella che afferma che le comete contengono grosse

quantità di gas e quindi gli impatti successivi a quello di formazione della Luna avrebbero portato

grandi quantità di gas sulla Terra in modo da ripianare i problemi causati dagli impatti precedenti.

E’ una teoria che non è supportata dai dati: nello schema (fig.1, pag.24, cap.1) sono rappresentati i

valori del rapporto deuterio su idrogeno (D/H); la Terra presenta un suo valore di D/H così come le

comete e quello che è stato osservato è che il valore terrestre è circa la metà rispetto a quello delle

comete! Questo fattore “va dalla parte sbagliata”: se prendo del materiale di una cometa e lo

disperdo, quello che deve succedere è che il D/H deve aumentare perché la perdita parziale in

-4

atmosfera dovrebbe favorire gli isotopi pesanti. Se parto da un valore di 3x10 (per esempio) e

perdo parte dell’atmosfera dovrei avere questo valore aumentato; invece nella Terra tale valore

-4

scende e si assesta su 1.5x10 .

La stessa cosa è possibile farla sul rapporto H/C (idrogeno/carbonio): se le comete presentano un

rapporto di 7, mi aspetto che perdendo una parte di un’ipotetica atmosfera cometaria, tale rapporto

➝

non possa che scendere. Invece il rapporto H/C ha un valore di 50 non c’è modo di arricchire H

e C.

La risposta alla domanda iniziale è quindi che l’atmosfera terrestre non deriva dall’esterno ma è

molto probabilmente pristina.

Se fosse completamente pristina ci aspetteremmo che i tre pianeti del Sistema Solare interno

(Venere, Terra, Marte) fossero simili come composizione chimica: andando a vedere i gas

dominanti nelle varie atmosfere (table1, pag.24, cap.1) la CO è dominante così come il rapporto

2

CO /N è costante. Ciò significa che Venere e Marte hanno delle atmosfere di CO con un po’ di

2 2

azoto. La Terra ha evidentemente composizione completamente diversa…

Come mai la Terra ha una composizione differente dai due pianeti che le sono vicini? E’

1. sempre stato così o un tempo la composizione dell’atmosfera terrestre era uguale alle

composizioni attuali di Venere e Marte?

Come ha fatto a cambiare nel tempo?

2.

Le atmosfere planetarie sono a rischio di essere perse. Una molecola di gas rimane “legata” al

pianeta se l’energia potenziale di legame è più bassa (in valore relativo) dell’energia cinetica: se un

corpo si muove troppo veloce la gravità non è in grado di trattenere, altrimenti si. Per mantenere

quindi un’atmosfera intorno ad un pianeta è necessario che

E < E

pot kin Per la legge di Boltzmann l’energia

cinetica si scrive così,

riscrivendo tale formula otteniamo tanto più alta è la temperatura di un

gas, maggiormente si muovono le

2

G[(M⋅m)/r] < 0.5 m⋅v = k⋅T particelle, maggiore energia cinetica

E’ possibile andare a giocare con i parametri sopra scritti e vedere quali pianeti trattengono quali

elementi e in quali quantità: se considero due gas diversi (A =2, A =129), noto

H Xe

che la fuga di idrogeno sarà molto maggiore rispetto a

quella dello Xeno. In particolare sulla Terra l’idrogeno

m e l’elio sono troppo leggeri per cui il nostro pianeta fa

H << Xe

2

massa del gas fatica a trattenere questi due elementi ma dato che è

in grado di trattenere la massa 18 (acqua). Marte ha

una gravità troppo bassa, non è in grado di trattenere

l’H O e quindi è un pianeta ormai morto

2

se confronto tra loro tre corpi celesti che sono a parità

di temperatura (in questo caso tre pianeti del sistema

Saturno, Saturno ha massa decine di volte quella

terrestre, Titano ha massa simile alla Luna e Dione

raggio di 300km quindi ha massa molto piccola).

M Dione < Titano Saturno ha un’atmosfera molto densa, praticamente

massa del pianeta Titano << Saturno non ha perso nulla del gas primordiale che aveva al

momento dell’accrezione, Titano ha un’atmosfera di

circa 1Bar mentre Dione è completamente priva di

atmosfera. Il termine M gioca un ruolo determinante

nel trattenimento dell’atmosfera

la Luna ha una temperatura media annuale di circa

T 0°C, Titano una di -150°C e quindi a parità di massa

Luna < Titano

temperatura del pianeta, Titano presenta un’atmosfera di 1Bar

mentre la Luna zero

Facendo una sorta di riepilogo, possiamo dire che:

L’atmosfera terrestre è innanzitutto primaria, cioè rappresenta qualcosa che c’è da sempre.

1. Quando la Terra si è accresciuta ha acquisito un’atmosfera primaria che poi ha al 90-95%

2. perduto

Quella che è rimasta però è in equilibrio con il mantello. Questo equilibrio con il mantello ci da

3. un’implicazione che è che l’atmosfera primitiva doveva contenere della CO e non doveva

2

contenere ossigeno perché il mantello contiene ferro metallico nel nucleo interno mentre ferro

2 nei minerali (come olivina)

Può avvenire la fotochimica: le radiazioni solari contengono raggi UV che sono in grado di

4. cominciare reazioni chimiche. Una di queste, che è stata la morte di Marte, è stata la

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decomposizione della molecola d’acqua (H O H + O); sulla Terra questa decomposizione è

2 2

sufficientemente lenta da permettere la ricombinazione di idrogeno e ossigeno. Un’altra

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reazione che avviene nella nostra atmosfera è la formazione di ozono (O + O O ), e questa

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reazione è stata particolarmente utile perché ha permesso che i raggi UV non raggiungessero

la superficie terrestre. L’ultima reazione che avviene per fotochimica sulla Terra (soprattutto

nelle megalopoli equatoriali come Jakarta o Città del Messico) è quella che avviene anche su

➝

Titano (N + O NO ); si ha la produzione di NO che sono composti nei quali l’azoto che

2 2 X X

avrebbe valenza cinque non riesce a formare molecole stabili a stechiometria. Se si formano

molecole NO esse sono instabili e liberano energia chimica che va nei polmoni di chi respira

X

quell’aria.

12.1 Anidride carbonica e il ciclo di Urey 21

L’ordine di grandezza del carbonio presente nell’idrosfera e atmosfera terrestre è 3.6x10 moli; il

carbonio presente