Atmosfera terrestre

L'atmosfera terrestre vista dalla Stazione Spaziale Internazionale

Schema dell'atmosfera terrestre

L'atmosfera terrestre è l'involucro di gas che riveste il pianeta Terra. Ha una struttura piuttosto complessa e suddivisa in più strati, chiamati sfere, che dal basso in ordine di altezza sono: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera, ionosfera ed esosfera. Tale suddivisione è ricavata in base all'inversione del gradiente termico verticale. Tra due sfere, dove 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

Tralasciando la presenza nell'atmosfera terrestre di polveri, aerosol e inquinanti di origine antropogenica, essa può essere considerata come una miscela di gas avente la seguente composizione chimica media al suolo (le percentuali indicate sono in volume):

• Azoto (N₂): 78,084%
• Ossigeno (O₂): 20,946%
• Argon (Ar): 0,934%
• Anidride carbonica (CO₂): 0,0391% (391 ppm)
• Neon (Ne): 0,0018% (18 ppm)
• Elio (He): 0,000524% (5 ppm)
• Metano (CH₄): 0,00016% (2 ppm)
• Kripton (Kr): 0,000114% (1,1 ppm)
• Idrogeno (H₂): 0,00005% (0,5 ppm)
• Xeno (Xe): 0,0000087% (0,08 ppm).

A tali gas si aggiunge il vapore acqueo (H₂O), la cui percentuale è piuttosto variabile (dallo 0% al 6%), con una media dello 0,33%, e l'ozono (O₃), con concentrazione intorno allo 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) e 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.

La composizione dei gas dell'atmosfera non è sempre stata quella attuale, ma durante la storia della Terra è considerevolmente variata.

Dati tecnici

La massa è di circa , tre quarti della quale è contenuta all’interno dei primi di altitudine.

La pressione atmosferica media al suolo e al livello del mare, ovvero il peso della colonna d'aria sull'unità di superficie, vale equivalenti a 1 013 g/cm² ovvero equivalenti ad un involucro d'acqua dello spessore di poco più di 10. Tale valore è preso come definizione dell'unità di misura della pressione nota come atmosfera.

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 di 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 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 100 km 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

Gli strati dell'atmosfera terrestre.

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 che diminuisce con l'altitudine fino ai circa −55 °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), il resto della circolazione atmosferica e le perturbazioni atmosferiche.

La troposfera ha uno spessore variabile a seconda della latitudine: ai poli è spessa mediamente 8 km mentre 20 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 −55 °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, oltre a beneficiare della radiazione solare incidente.

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: 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 (UV) (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 che, in queste condizioni, riescono a raggiungere in grande quantità il suolo terrestre.

Questi raggi causano seri danni ai vegetali e in generale 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 rarefatte, il vapore acqueo e il pulviscolo atmosferico diminuiscono; esistono ancora alcuni rari fenomeni meteorologici e certi particolari tipi di nubi (ad esempio le nubi madreperlacee).

Mesosfera

In questa zona, che va dai 50 ai 90 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.

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 con la quota. 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 interplanetario.

Termosfera

La termosfera è la sfera successiva alla Mesosfera. 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 1000 °C. Paradossalmente gli astronauti che si trovano a questa altezza necessitano di indossare delle tute riscaldate per non morire di freddo nonostante il gas circostante abbia una temperatura superiore a quella della tuta e quindi le ceda calore. Questo perché a causa della ridotta densità del gas, la quantità di calore che questo è in grado di fornire alla tuta è nettamente inferiore a quella che la tuta perde per irraggiamento.

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 1700 °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. All'interno di essa si può identificare una linea ideale (molto labile e variabile quindi non contemplata ufficialmente) come confine gravitazionale (frangia atmosferica): in corrispondenza esatta di tale linea un oggetto (o meglio il suo baricentro) quando privo di propria forza cinetica rimane stazionario (né cade verso la Terra, né sale verso lo spazio); un oggetto presente sotto tale linea è ancora soggetto alla gravità terrestre ovverosia ad una caduta verso terra (qualora sia privo di propria forza cinetica si intende); tanto più ci si avvicina a tale linea, tanto più la caduta è lenta, fino a divenire pressoché impercettibile; oltrepassata invece, l'oggetto sale verso lo spazio ovvero si allontana dalla Terra. I suoi costituenti, come già detto, sono perlopiù idrogeno ed elio, in maggioranza particelle del vento solare catturate dalla magnetosfera terrestre (l'idrogeno qualora emesso dalla Terra non raggiunge tale altezza: si ossida in acqua perlomeno raggiunta l'ozonosfera).

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 2000 °C (di temperatura cinetica). A causa di questa temperatura, alcune delle molecole presenti raggiungono la velocità di fuga terrestre ) 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 e superare in tale senso la minor attività del Sole (paradosso del Sole debole). Col 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.

Bibliografia

• Richard A. Craig e Laura Felici, Alla soglia dello spazio, Zanichelli, 1973.

Voci correlate

• Atmosfera
• Biosfera
• Fisica dell'atmosfera
• Chimica atmosferica
• Meteorologia
• Idrosfera
• Litosfera
• Terra
• Effetto serra
• Riscaldamento globale
• Oscuramento globale
• Dispersione degli inquinanti in atmosfera
• Prospettiva aerea
• Aviazione

Altri progetti

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• Wikiversità
• Wikimedia Commons

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• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su atmosfera terrestre

Collegamenti esterni

• (EN) NASA atmosphere models, su modelweb.gsfc.nasa.gov.
• (EN) NASA's Earth Fact Sheet, su nssdc.gsfc.nasa.gov.
• (EN) American Geophysical Union: Atmospheric Sciences, su atmospheres.agu.org.
• (EN) Gli strati atmosferici, su srh.noaa.gov.
• (EN) Il glossario di meteorologia AMS, su amsglossary.allenpress.com.
• (EN) Slides che descrivono la moderna atmosfera terrestre, su des.memphis.edu.

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