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Atmosfera terrestre

 

Descrizione

L'atmosfera terrestre è l'involucro di gas che riveste il pianeta Terra e al contempo partecipa alla sua rotazione attorno al proprio asse. Ha una struttura piuttosto complessa e divisa in più strati, chiamati sfere, che in ordine di altezza sono: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera, ionosfera, esosfera. La suddivisione è dovuta all'inversione del gradiente termico. Tra due sfere, dove quindi ha luogo l'inversione del segno del gradiente, si trova una superficie di discontinuità, chiamata pausa.

Lo studio dell'atmosfera in tutti i suoi aspetti rientra nel vasto ambito e discipline delle scienze dell'atmosfera.

 

Composizione

L'atmosfera terrestre è costituita da una miscela di gas che ha la seguente composizione chimica media al suolo:

- Azoto (N2): 78,08%;

- Ossigeno (O2): 20,95%;

- Argon (Ar): 0,93%;

- Vapore acqueo (H2O): 0,33% in media (variabile da circa 0% a 5-6%);

- Biossido di carbonio (CO2): 0,032% (320 ppm);

- Neon (Ne): 0,00181% (18 ppm);

- Elio (He): 0,0005% (5 ppm);

- Metano (CH4): 0,0002% (2 ppm);

- Idrogeno (H2): 0,00005% (0,5 ppm);

- Kripton (Kr): 0,000011% (0,11 ppm);

- Xeno (Xe): 0,000008% (0,08 ppm);

- Ozono (O3): 0,000004% (0,04 ppm).

Sono anche presenti, in tracce, Ossidi di azoto (NO, NO2; N2O), Monossido di carbonio (CO), Ammoniaca (NH3), Biossido di zolfo (SO2), Solfuro di idrogeno (H2S).

Non tutti gli strati hanno le stesse concentrazioni di gas: ad esempio il vapore acqueo è presente quasi soltanto nella troposfera, lo strato più basso, ed è praticamente assente nella termosfera e nell'esosfera, che viceversa contengono quasi tutto l'elio e l'idrogeno. La concentrazione del vapore acqueo in troposfera inoltre non è costante, ma varia anche sensibilmente da luogo a luogo e nel tempo in conseguenza del variare del tempo atmosferico ovvero attraverso i processi di evaporazione e condensazione, tappe intermedie del Ciclo dell'acqua. L'ozono è contenuto in massima parte nella stratosfera in cui costituisce un importante strato: l'ozonosfera.

 

Dati tecnici

La pressione atmosferica media al suolo e al livello del mare, ovvero il peso della colonna d'aria sull'unità di superficie, vale 1013hPa o mb = 1,013 bar equivalenti a 1033 g/cm² ovvero equivalenti ad un involucro d'acqua dello spessore di poco più di 10 metri.

Pressione e densità diminuiscono circa esponenzialmente con la quota mentre la temperatura segue un profilo verticale del tutto particolare in funzione dell'assorbimento della radiazione solare e terrestre e va ad individuare con le sue inversioni del gradiente termico le varie fasce atmosferiche secondo la classificazione più utilizzata.

Il colore blu del cielo è dovuto allo scattering alla Rayleigh della componente blu dello spettro visibile della radiazione solare via via maggiore all'aumentare della densità dell'aria.

L'atmosfera terrestre non ha un confine esterno ben definito: la densità sfuma lentamente verso lo spazio interplanetario con il colore che passa progressivamente dall'azzurro al blu fino al nero intenso del quasi vuoto interplanetario.

 

Strati atmosferici

In primo luogo si è soliti suddividere l’atmosfera in due distinte fasce:

- l'omosfera compresa tra il suolo e i 100 km di quota dove la composizione media dell’atmosfera non cambia a causa dei continui moti di rimescolamento verticale cui è sottoposta;

- l'eterosfera al di sopra dei 100km di quota dove prevale la condizione di equilibrio diffusivo in virtù del quale la composizione varia con la quota con sempre maggior presenza di gas leggeri quali elio e idrogeno fino a sfumare nel quasi-vuoto interplanetario.

Si è soliti inoltre suddividere l’atmosfera terrestre in base all’andamento in funzione della quota dei suoi parametri principali, tra tutti la temperatura.

 

Troposfera

È lo strato in cui si verificano quasi tutti i fenomeni meteorologici e contiene l'80% della massa gassosa totale e il 99% del vapore acqueo: l'aria della troposfera è riscaldata dalla superficie terrestre ed ha una temperatura media globale di 15°C al livello del mare, che diminuisce con l'altitudine (in media 0,65°C ogni 100 m di quota) fino ai circa -60°C della tropopausa. L'aria degli strati più bassi, che tende a salire, genera grandi correnti convettive da cui hanno origine venti equatoriali costanti (gli alisei) e le perturbazioni atmosferiche. La troposfera ha uno spessore variabile a seconda della latitudine: ai poli è spessa solamente 8 km mentre raggiunge i 17 km all'equatore. La pressione atmosferica decresce con l'altitudine secondo una legge in prima approssimazione esponenziale; oltre i 7-8 km di quota la pressione è tanto bassa che non è più possibile respirare senza l'uso di maschere collegate a bombole di ossigeno.

Salendo in quota, oltre a pressione e temperatura, diminuisce anche il contenuto di vapore acqueo dell'aria. Ad un certo punto la temperatura si stabilizza a -60°C circa: è la tropopausa, la zona di transizione fra troposfera e stratosfera.

La parola troposfera deriva dal greco τρόπος (trópos) che significa "variazione, cambiamento" proprio perché all'interno di questa sfera si trovano tutti quei moti d'aria verticali e orizzontali che rimescolano l'atmosfera stessa e che caratterizzano il mutevole tempo atmosferico. La troposfera è inoltre il luogo della vita oltre che dei fenomeni meteorologici: tutte le piante e tutti gli esseri viventi vivono in essa utilizzando alcuni dei gas che la costituiscono.

 

Stratosfera

È lo strato atmosferico che sta al di sopra della troposfera ed arriva ad un'altezza di 50-60 km. Qui avviene un fenomeno chiamato inversione termica: cioè, mentre nella troposfera la temperatura diminuisce con l'altezza, nella stratosfera aumenta, fino alla temperatura di 0°C. Questo fenomeno è dovuto alla presenza di uno strato di ozono (molecola di ossigeno triatomica), l'ozonosfera, che assorbe la maggior parte delle radiazioni solari ultraviolette (circa il 99%). In alcuni punti dell'ozonosfera lo strato di ozono si è assottigliato (fenomeno del buco nell'ozono, scoperto nella zona antartica) al punto tale che non offre più un'efficace protezione ai raggi ultravioletti (UV) che, in queste condizioni, riescono a giungere a terra. Questi raggi causano seri danni alle piante e a tutti gli esseri viventi. I danni all'uomo possono essere tumori alla pelle e cecità, a causa di danni irreversibili alla retina. Nella stratosfera le componenti sono sempre più rarefatti, il vapore acqueo e il pulviscolo diminuiscono; esistono ancora alcuni rari fenomeni meteorologici e certi particolari tipi di nubi (come le nubi madreperlacee).

 

Mesosfera

In questa zona, che va dai 50 agli 80 km di quota, l'atmosfera non subisce più l'influsso della superficie terrestre ed è costante a tutte le latitudini. Essa è caratterizzata da una accentuata rarefazione degli elementi gassosi e da un graduale aumento di quelli più leggeri a scapito di quelli più pesanti. In questa parte dell'atmosfera la temperatura riprende a diminuire con l'altezza e raggiunge il valore minimo, variabile tra i -70 ed i -90°C, intorno agli 80 km; a questa quota si possono osservare a volte le nubi nottilucenti, costituite probabilmente di cristalli di ghiaccio e minutissime polveri: esse sono visibili durante l'estate, al crepuscolo e si presentano come nubi sottili e brillanti, intensamente illuminate dagli ultimi raggi del Sole. L'osservazione di queste nubi mostra che nell'alta mesosfera esiste un complesso sistema di correnti aeree, ad andamento variabile, che dovrebbero raggiungere velocità fino a 300 km/h. Connesse a questi moti sono le variazioni di altezza della mesopausa, come avviene anche nella tropopausa e nella stratopausa. In queste condizioni i gas si stratificano per diffusione e la composizione chimica media dell'aria inizia a variare a mano a mano che si sale. Il biossido di carbonio scompare rapidamente, il vapore acqueo ancora più in fretta e anche la percentuale di ossigeno inizia a diminuire con la quota. Aumentano le percentuali di gas leggeri come elio e idrogeno. L'effetto riscaldante dell'ozono è terminato e la temperatura diminuisce sempre più con la quota fino a stabilizzarsi al limite superiore della mesosfera (-80°C nella mesopausa).

In questo strato hanno origine le stelle cadenti, cioè i piccoli meteoriti che di solito non riescono a raggiungere la superficie terrestre e bruciano prima di raggiungere la Terra, lasciando scie luminose. Oltre la mesopausa, alla quota di circa 100 km, l'aria è tanto rarefatta da non opporre una resistenza tangibile al moto dei corpi, e diventa possibile muoversi con il moto orbitale. Per questo motivo, in astronautica la mesosfera viene considerata il confine con lo spazio.

 

Termosfera

La termosfera è la sfera successiva alla Mesosfera e separata da quest'ultima dalla mesopausa. La temperatura, dopo l'abbassamento avvenuto nella mesosfera, torna a crescere con la quota. Alcuni dati sperimentali affermano che ad un'altezza di circa 300 km la temperatura sarebbe di 1.000°C. Però, gli astronauti che si trovano a questa altezza necessitano di indossare delle tute riscaldate a causa del freddo. Questa apparente contraddizione si spiega definendo il calore, cioè una forma di energia che si libera negli urti tra le particelle; a causa della bassa densità dei gas questi urti avvengono raramente, spiegando in questo modo il poco calore esistente.

 

Ionosfera

La ionosfera è lo strato di atmosfera in cui i gas atmosferici sono fortemente ionizzati: è costituita dagli strati esterni dell'atmosfera, esposti alla radiazione solare diretta che strappa gli elettroni dagli atomi e dalle molecole. Contiene, nel suo insieme, una frazione minima della massa gassosa atmosferica, circa l'1% solamente (è estremamente rarefatta), ma ha uno spessore di alcune centinaia di chilometri e assorbe buona parte delle radiazioni ionizzanti provenienti dallo spazio. La temperatura in questo strato sale con l'altitudine, per l'irraggiamento solare, ed arriva ai 1.700°C al suo limite esterno.

Ha una struttura a bande, divise durante il giorno dalla forte radiazione solare che ionizza preferenzialmente gas diversi a quote diverse: durante la notte alcune di queste bande si fondono insieme, aumentando la riflettività radio della ionosfera.

Al confine fra mesopausa e ionosfera hanno luogo le aurore polari.

La composizione chimica è ancora simile a quella media, con una predominanza di azoto e ossigeno, ma cambia sempre più con l'altitudine. A circa 550 km di quota, questi due gas cessano di essere i componenti principali dell'atmosfera, e vengono spodestati da elio e idrogeno.

La ionosfera riveste una grande importanza nelle telecomunicazioni perché è in grado di riflettere le onde radio, aiutandole a propagarsi oltre la portata visibile: tra i 60 e gli 80 km vengono riflesse le onde lunghe, tra i 90 e i 120 le onde medie, tra i 200 e i 250 le onde corte, tra i 400 e i 500 km le onde cortissime.

 

Esosfera

È la parte più esterna dell'atmosfera terrestre, dove la composizione chimica cambia radicalmente. L'esosfera non ha un vero limite superiore sfumando progressivamente verso lo spazio interplanetario e arrivando a comprendere parte delle fasce di Van Allen. I suoi costituenti, come già detto, sono perlopiù idrogeno ed elio, in maggioranza particelle del vento solare catturate dalla magnetosfera terrestre. Tramite metodi di osservazione indiretti e da calcoli teorici si ricava che la temperatura dell'esosfera aumenta con l'altezza fino a raggiungere, se non addirittura superare, i 2.000°C (di temperatura cinetica). A causa di queste temperatura, alcune delle molecole presenti raggiungono la velocità di fuga terrestre (11,2 km/s) e sfuggono dall'atmosfera, perdendosi nello spazio.

 

Evoluzione dell'atmosfera terrestre

L'attuale composizione chimica dell'atmosfera è il risultato di un'evoluzione della stessa sin dai tempi primordiali: l'attività vulcanica, la fotosintesi, l'azione della radiazione solare, i processi ossidativi e l'attività microbica hanno modificato nel tempo la composizione fino al raggiungimento dell'equilibrio attuale. In particolare l'atmosfera primordiale, a causa dell'intensa attività vulcanica, era molto più ricca di zolfo, CO2 e metano con un effetto serra molto superiore all'attuale tale da compensare la minor attività del Sole (paradosso del Sole debole). Con il diminuire dell'attività vulcanica, la presenza dell'acqua liquida e vapor acqueo (la cui origine sulla Terra è ancora misteriosa) ha dato l'input, assieme all'attività dei microorganismi fotosintetici, alle trasformazioni della composizione atmosferica con la presenza cospicua dell'ossigeno necessario per la vita animale.

 

Voci correlate

- Atmosfera;

- Biosfera;

- Idrosfera;

- Litosfera;

- Meteorologia;

- Pianeta Terra;

 

Tratto da Wikipedia, elaborato e modificato.