In questi 2 post centrali, 2/4 e 3/4, dopo la panoramica introduttiva dell'
1/4 - una visione d'insieme, ci inoltriamo attraverso Strati e Pause per conoscere meglio le loro caratteristiche. Nel
post finale 4/4 Viaggio attraverso l'atmosfera ci sarà un bel viaggio riassuntivo e riepilogativo con tanti aneddoti interessanti ed affascinanti.
Siccome il materiale è tanto, per esigenze di spazio ho preferito dividere gli strati in 2 parti, con questa logica:
-
post 2/4 "bassa e media atmosfera":
Troposfera, Stratosfera-Ozonosfera e Mesosfera (da 0 a 90)
-
post 3/4 "alta atmosfera e Magnetosfera":
Termosfera-Ionosfera, Esosfera-Magnetosfera (da 90 a 2.500 e oltre)
A questo scopo ho studiato un mix di immagini prese in parte da una lunghissima lezione di meteorologia, di cui in fondo metto il link, e per il resto in generale dal web.
Prima di iniziare, qualche piccola curiosità importante.
Ma quanto spazio occupa in altezza l'atmosfera rispetto al raggio del nostro pianeta?
Veramente uno strato sottilissimo, soprattutto considerando che solo lo strato nel quale viviamo noi, il 1° la Troposfera, occupa una parte irrisoria.
"La sottile striscia di aria che circonda la Terra (ha uno spessore di circa 1.000 Km ed è estremamente rarefatta, mentre la fascia superiore chiamata esosfera o magnetosfera si estende fino a 30.000 Km di altezza) è la fonte di vita del pianeta stesso. Forse non si riflette a sufficienza sul fatto che si potrebbe sopravvivere senza cibo o senza acqua, ma non senza l'aria. Inoltre senza l'atmosfera non esisterebbero ne i mari ne gli oceani e nemmeno i laghi. La Terra usa come motore l'energia del Sole, ma solamente una piccolissima porzione di questa energia viene intercettata dal nostro pianeta, come vedremo nella sezione Ozono di questo post, nella parte relativa all'assorbimento della luce."
Nella prossima immagine troviamo un primo elemento interessante che parla di una fascia di altitudine in cui né sonde né palloni né tantomeno satelliti possono stare (anche se c'è da dire che mano a mano che le scoperte scientifiche progrediscono, inevitabilmente si superano i precedenti limiti e quindi il limite dei 35 km per i palloni stratosferici è stato ampiamente superato, vedi
post 4/4 - Viaggio attraverso l'atmosfera).
Cominciamo ora a fare una prima suddivisione generale, che riguarda la composizione dell'atmosfera, con una premessa.
L'atmosfera terrestre è l'involucro aeriforme costituito da gas e vapori nella sua parte bassa e prevalentemente da ioni ed elettroni nella parte più alta, trattenuto intorno alla Terra dai campi gravitazionale e magnetico terrestri.
I fenomeni dinamici (venti, correnti, turbolenze, moti ondosi) non sono caratteristici della sola troposfera (come si riteneva in passato, da cui il suo nome formato dal prefisso tropo- dal greco τροπή cioè "rivolgimento, mutazione, variazione"), e la zona turbolenta detta turbosfera si estende ben oltre: se, come per varie ragioni conviene fare, ci si riferisce alle predette e ormai tradizionali zone termiche, della turbosfera dovrebbero fare parte, oltre alla Troposfera, sicuramente la Stratosfera (in ciò contraddicendo il suo nome) e anche la Mesosfera e la parte inferiore della Termosfera, sino a circa 100 km di quota.
Il rimescolamento dovuto alla turbolenza fa sì che la composizione della turbosfera non dipenda molto dalla quota: di qui le denominazioni di omosfera data alla turbosfera e di eterosfera data all'atmosfera sovrastante.
Nell'Omosfera, quindi fino a 90 km circa, i gas mantengono le proporzioni indicate nel
post 1/4 visione d'insieme.
Notate che l'omosfera arriva ad una quota di
80-100 km, che corrisponde a quella che nel post 1/4 è definita come la
"linea di karman", che vedremo alla fine del presente post.
Altre denominazioni particolari o prospettive alternative
Il 99% della massa dei gas atmosferici si trova nei primi 40 km di quota, e a quest’altezza la pressione è ormai circa 1/100 di quella rilevabile sulla superficie; a 100 km è diminuita fino a poco più di 1/100.000. Il limite dell’atmosfera si trova a circa 2.500 km di quota, cioè dove la densità degli atomi diventa pari a quella presente nel vuoto interplanetario.
Per tenere conto di queste enormi differenze, l’atmosfera è stata suddivisa in due fasce: bassa (sotto i 100 km, appena vista come Omosfera) e alta atmosfera, a loro volta suddivise nelle varie regioni di cui stiamo parlando (Eterosfera).
Occorre ricordare che, a parte le zone termiche, le quali hanno una definizione unanimemente accettata e abbastanza precisa, le altre zone hanno definizione ed estensione non unanimemente definite, e così troviamo anche altri tipi di suddivisioni, come la seguente:
"bassa" 0-20 km
"media" 10-80 km
"alta" 80-500 km
esosfera oltre 500 km
"atmosfera di mezzo" o "atmosfera media": è costituita da Stratosfera, Mesosfera e la parte più bassa della Termosfera, ed è la regione che grosso modo si estende da 10 a 80 km di quota. Le sue caratteristiche sono
- l'assorbimento della radiazione ultravioletta solare determina una complessa attività fotochimica e chimica, con connessi effetti di riscaldamento. Questa attività si manifesta con la presenza nell'atmosfera di un gran numero di componenti chimici che, a loro volta (anche se presenti in concentrazioni ridottissime), influiscono sensibilmente sulla penetrazione della radiazione solare (particolarmente importante è l'ozono O3).
Altre denominazioni particolari fanno poi riferimento alla specie molecolare o ionica prevalente o comunque per qualche verso importante, e così:
- nell'atmosfera media si parla di ozonosfera per indicare l'intervallo di quote intorno a 30 km, nel quale l'Ossigeno molecolare biatomico si trasforma in ozono a seguito di assorbimento di fotoni ultravioletti della radiazione solare
- nell'alta atmosfera si parla di eliosfera per la regione fra circa 500 e circa 1500 km di quota, dove l'elio è la specie prevalente
- protonosfera per la regione al di sopra di circa 1500 km, dove prevalgono gli ioni H+
Qui sotto abbiamo un riassunto, un po' come quelli presentati nel
post 1/4 Una visione d'insieme,
Mentre nella prossima immagine abbiamo un riassunto più specifico che riguarda la "zona" che andiamo ad analizzare in questo post, la fascia
al di sotto dei 100 km, molto semplificata.
Considerate che alla fine della generale visione dei 4 post di questa serie, sarete molto più in grado di riconoscere e avere familiarità con tutte queste immagini che presentano molti elementi naturali ed umani inseriti alle varie quote di riferimento (ampia panoramica nel 4/4 Viaggio attraverso l'atmosfera, da non perdere)
Bene, ora possiamo iniziare. Visto che analizziamo ogni singolo strato in questo viaggio, userò un'immagine di riferimento per separare uno strato dall'altro, che sia comoda anche per rammentarci la disposizione degli strati e l'altitudine a cui si trovano
Troposfera (dal greco tròpos, sfera del
"cambiamento").
E'
lo strato più vicino alla Terra, a diretto contatto col suolo: va da 0 a 17 Km di altezza, ma
la sua altezza varia con le stagioni, maggiore in estate e minore in inverno, e a seconda che ci si trovi ai poli o sull'equatore.
E' caratterizzato da una
diminuzione costante della temperatura che decresce con l’altezza di circa 0,65° ogni 100 metri cioè circa 6,5 °C ogni km (
gradiente adiabatico umido o
gradiente termico verticale); poiché in questa zona i rimescolamenti di aria sono frequenti, la diminuzione della temperatura in altezza è irregolare; il gradiente termico in realtà è un valore medio poiché si possono riscontrare abbassamenti di temperatura anche più repentini nell'ordine di 10 °C ogni 1.000 m.
La diminuzione di aria salendo in quota accade perché l'aria della troposfera viene riscaldata e raffreddata essenzialmente dalla superficie terrestre, quindi più si sale più l'effetto diminuisce.
La troposfera ospita l'80% della massa d'aria (contiene cioè i 3/4 della massa totale dell'atmosfera) e il 99% di tutto il vapore acqueo dell’atmosfera che si trova in sospensione..
- l’aria calda vicina alla superficie tendendo a salire forma dei moti convettivi dando origine a venti e perturbazioni: nella Troposfera, infatti, si formano
la maggior parte dei fenomeni meteorologici (nubi, venti, neve, pioggia)
- con l’aumento dell’altezza
decresce anche la pressione atmosferica (in modo esponenziale) e la quantità di vapore acqueo
-
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.
Fra gli elementi più importanti per noi vi è certamente l'
Ossigeno (
post 1/4 Visione d'insieme). Ad altezze superiori ad una decina di km lo troviamo anche in forma triatomica O
3, ovvero l'ozono che ci protegge dalle
radiazioni ultraviolette dello spettro solare, come vedremo tra poco.
I dati interessanti dell'immagine qui sopra sono:
1 - la temperatura in cima alla Troposfera scende a - 50
2 - la temperatura scende alla velocità di più di 1/2 grado ogni 100 metri
3 - i grandi rivolgimenti dell'aria dipendono dalla rotazione della Terra e da Pressione e Temperatura
Nella prossima immagine, si nota come l'altezza della Troposfera cambia a seconda che ci si trovi ai poli o all'equatore, variando infatti tra i 7.000 e i 17.000 metri (andate infatti a verificare la definizione di Atmosfera data nel
post 1/4 dove si dice
"...schiacciata ai poli e rigonfia all'equatore, esattamente come il globo terracqueo." Ricordo infatti che la Terra non è una sfera perfetta.)
Riguardo a questa differenza di altitudine, c'è da
osservare un dato interessante:
- poiché al livello del mare la temperatura media dell'aria si aggira intorno ai 25°C nelle regioni equatoriali ed intorno ai -10°C nelle regioni polari
- e dato che lo spessore della Troposfera è molto maggiore sopra l'equatore (17 km) che sopra i poli (7 km)
ne deriva che al limite superiore della Troposfera si raggiungono temperature più basse in corrispondenza dell'Equatore (- 70°C), che in corrispondenza dei poli (-45°C).
tropopausa
In pochi km cessano le perturbazioni tipiche dello strato sottostante, la Troposfera, e la temperatura tocca i - 55°C. Un sottile strato dello spessore di 100-300 metri la separa dalla Stratosfera.
Come potete vedere nell'immagine a fianco (e come anticipato nel
post 1/4 visione d'insieme), rappresentata dalla prima serie di segmenti tratteggiati irregolari in basso, la Tropopausa è caratterizzata da
parecchie "inversioni" termiche (dove il gradiente termico inverte il segno)
ed anche delle "sacche isoterme" (= a temperatura costante)
sovrapposte, continuamente disperse e rinnovate dai movimenti verticali dell'aria e dalla presenza di forti correnti orizzontali di grande intensità dette
"correnti a getto" (jet stream).
Il loro trasporto orizzontale provoca moti turbolenti che producono un continuo rimescolamento dell'aria troposferica e a causa di questi moti verticali ascendenti e discendenti delle masse d'aria, si formano e si dissolvono le nubi e si hanno le precipitazioni e le tempeste tipiche della Troposfera.
Oggi gli scienziati pensano che la circolazione a bassa quota dipenda dal comportamento delle correnti nell'alta troposfera. Gli Alisei non sarebbero altro che i venti orientali incurvati a causa dell'attrito con il suolo.
Stratosfera (così chiamata perché da qui i gas cominciano a stratificarsi secondo il proprio peso)
Fatta di gas rarefatti, ha ancora fenomeni meteorologici nella parte bassa (fino a 30 km circa sul livello del mare) e uno strato di ozono o ozonosfera nella zona più alta. La pressione e la densità continuano a diminuire, mentre la temperatura diminuisce nella parte più bassa ma poi
si innalza oltre gli 0°C al limite stratosferico superiore.
E’ un’area molto secca, con vapore acqueo e pulviscolo quasi assenti, gas molto rarefatti e un’umidità simile a quella del Sahara.
Qui avviene il fenomeno chiamato
inversione termica:
mentre nella troposfera la t diminuisce con l'altezza, qui aumenta fino alla t di 0° C, grazie alla presenza dell'Ozono (molecola di ossigeno triatomica) che assorbe la maggior parte delle radiazioni solari ultraviolette (circa il 99%).
Quando i raggi ultravioletti emessi dal Sole vanno a urtare contro le molecole di ozono, queste si dissolvono, ovvero i tre atomi che le compongono si dividono; il processo ha 2 effetti, la produzione di calore (tanto più grande quanto maggiori sono le dissociazioni) e l'arresto dei raggi ultravioletti che sono dannosi per la vita. L'emanazione di calore in seguito alla dissociazione dell'ozono ha effetto di riscaldare l'atmosfera circostante.
La Stratosfera non è la regione di quiete, senza rimescolamento verticale dell'aria, che si riteneva in passato: in essa si ha una intensa circolazione dell'aria con notevoli variazioni anche orizzontali della temperatura e con venti che possono raggiungere velocità notevoli.
La stratosfera è
una sorta di barriera alla penetrazione dei moti verticali della troposfera anche se alcuni rimescolamenti sono possibili in certe regioni delle medie latitudini nei mesi primaverili ed invernali. Questi scambi modificano la posizione dei
Jet Stream, che abbiamo visto poco fa, le correnti in cui le velocità superano i 100 nodi (185.2 km/h).
La densità dell’aria è molto bassa, di conseguenza le nubi e la pioggia si manifestano raramente, ma il vento e la turbolenza possono essere considerevoli, fino a 250 Km/h nei primi 5 Km.
L
e forti correnti a getto o jet streams vengono utilizzate spesso dai piloti nei voli intercontinentali.
Quindi ricapitolando, nella Stratosfera i componenti gassosi rimangono tra loro ancora in proporzioni costanti, ma si presentano sempre più rarefatti, tanto che
sotto i 30 km di quota si trova il 99% dell'intera massa atmosferica. Il vapore acqueo e il pulviscolo diminuiscono rapidamente con la quota e
a questa altezza non si possono più formare nubi né precipitazioni, ma esistono ancora alcuni rari fenomeni meteorologici e certi particolari tipi di nubi sottili e iridescenti (nubi madreperlacee), costituite da piccoli cristalli o aghetti di ghiaccio.
Le nubi madreperlacee sono tecnicamente conosciute come
PSC, Polar Stratosferic Clouds, che trovate qui sotto, ma per la spiegazione del difficile testo vedremo meglio nella sezione Ozonosfera poco più avanti. La quota potete intenderla tra i 15 e i 25-30 km.
stratopausa
Grazie alla presenza dello strato d'Ozono la temperatura si stabilizza raggiungendo i 0°C, segnando il passaggio alla sfera superiore.
La stratopausa può presentarsi in forma di strati sovrapposti aventi diversa densità. Si trova ad un'
altitudine di circa 50-55 km. Qui vengono assorbiti i raggi Ultravioletti letali per ogni forma di vita.
Nell'immagine la 2° linea dal basso.
Ed ora dobbiamo trattare dello Strato compreso nella Stratosfera che ne causa l'innalzamento della temperatura fino ad arrivare a + 17°.
La Stratosfera comprende uno strato di ozono,
Ozonosfera, il quale, assorbendo parte delle radiazioni solari, permette il fenomeno dell’inversione termica di cui abbiamo parlato poco sopra: con l’aumentare dell’altezza aumenta la temperatura anziché diminuire.
Come si è formato l'ozono?
Lo strato di ozono intorno all'atmosfera si è formato in milioni di anni per effetto dell'attività delle alghe verdi-azzurre, a cui si deve anche gran parte dell'ossigeno attualmente presente nell'atmosfera.
Lo strato di ozono ha consentito alla vita di lasciare le acque per conquistare le terre emerse senza subire le radiazioni ultraviolette solari ed è dallo strato di ozono che dipende la nostra stessa vita.
L'ozono si forma prevalentemente nella stratosfera sopra le aree equatoriali e successivamente viene trasportato dai venti atmosferici verso le aree polari.
O3
L’ozono, che in greco significa “che ha odore”, è
una molecola contenente 3 atomi di ossigeno (
O3), presente allo stato gassoso nell’atmosfera.
Reagisce rapidamente con molti composti chimici ed è esplosivo in quantità concentrate. Le scariche elettriche sono generalmente usate per produrre ozono nei processi industriali di purificazione dell’aria e dell’acqua e per lo sbiancamento dei tessuti e dei prodotti alimentari.
L'ozono quindi è un gas tossico molto reattivo presente allo stato naturale per il 90% negli strati alti dell'atmosfera terrestre,
che ha la funzione di proteggere la Terra dagli effetti devastanti dei raggi ultravioletti provenienti dal Sole, facendo da filtro.
Infatti l’"ozono stratosferico" è formato naturalmente attraverso reazioni chimiche che coinvolgono le radiazioni ultraviolette e molecole di ossigeno.
Il rimanente ozono (10%) si trova nella Troposfera, ovvero la zona più bassa dell’atmosfera posta tra la superficie della Terra e la Stratosfera.
La sua concentrazione nell’atmosfera è comunque relativamente bassa.
In pratica si misura, direttamente al di sopra di un osservatore che si trova sulla superficie terrestre, lo spessore dello strato che si avrebbe se tutto l’ozono fosse il solo gas presente in condizioni normalizzate di temperatura e pressione.
Qui a fianco viene mostrata una colonna di aria, 10°× 5°, sopra il Labrador, in Canada. Se tutto l'ozono di questa colonna fosse compresso a temperatura e pressione normali (a 0°C e ad 1 atmosfera di pressione), si formerebbe uno strato con spessore di circa 3 mm.
Ozono Nocivo Quando l'ozono è presente negli strati più bassi dell'atmosfera (Troposfera quindi) vuol dire che l'aria è inquinata: significa in sostanza che negli strati bassi dell'atmosfera si sono accumulati inquinanti primari come il biossido di azoto che in particolari condizioni (bel tempo, scarsa ventilazione, temperatura atmosferica elevata) innescano una serie di reazioni chimiche che portano alla produzione di ozono (ozono troposferico) che è tossico per le vie respiratorie. L’ozono troposferico è quello per cui scattano gli allarmi di salute pubblica perché, quando se ne forma troppo a bassa quota, ha il potere di aggredire ed ossidare. Lo fa con tutto ciò che è chimicamente pronto a reagire: la pelle e le mucose umane, le foglie delle piante e i metalli esposti all’aria. Si spiega come l’ozono troposferico possa avere effetti sul clima globale, agendo attraverso le piante.
Trascrivo per gli amici visitatori stranieri:
Importanza dell'ozono nell'atmosfera terrestre.
-
effetto di schermo della radiazione solare nell'ultravioletto - l'ozono agisce da filtro sulla radiazione solare impedendo alle sue componenti con più alta energia, biologicamente dannose, di raggiungere la superficie terrestre
-
influenza sull'effetto serra - l'ozono si comporta come un gas-serra ed influenza il bilancio radiativo terrestre. Alterazioni nella sua distribuzione contribuiscono, di conseguenza, ai cambiamenti climatici a livello globale
-
ozono troposferico e smog foto-chimico - le sorgenti di ozono troposferico sono sia naturali sia legate all'attività umana: l'ozono in prossimità della superficie, ha un significativo impatto in termini di qualità dell'aria
Vediamo allora questi 3 punti nel dettaglio:
Protezione UV dello strato di ozono.
La radiazione
UV-B (lunghezza d’onda tra 280-315 nm) proveniente dal Sole è assorbita dallo strato e quindi raggiunge la Terra fortemente ridotta.
La radiazione
UV-A (lunghezza d’onda 315-400 nm), il visibile e le altre radiazioni solari, non sono assorbite dall’ozono
Perché sono pericolosi i raggi UV?
L’ozono nella stratosfera, quindi, assorbe gran parte della radiazione UV proveniente dal Sole. Se non vengono assorbiti, i raggi UV raggiungono la Terra in quantità che sono dannose per una grande varietà di forme di vita.
I raggi UV-B sono in grado di attaccare e danneggiare molecole come il DNA e l’RNA, così se l’esposizione a questi raggi diviene eccessiva, si possono sviluppare sia dei melanomi che altri tipi di cancro della pelle, cataratta agli occhi che provoca cecità a causa di danni irreversibili alla retina, e soppressione del sistema immunitario.
Anche le piante, gli organismi unicellulari e gli ecosistemi acquatici possono venire danneggiati da un’esposizione eccessiva ai raggi UV. Oltre alla salute degli abitanti del pianeta, gli UVB possono danneggiare la vita vegetale, con ricadute sia sul mondo animale che sul riscaldamento globale del pianeta. Ad esempio gli oceani assorbono una gran quantità di anidride carbonica (CO2), rilasciando nell'ambiente ossigeno, grazie al plancton che vive negli strati superficiali degli oceani e si alimenta con la luce del sole. Un aumento della quantità di radiazione UVB sulla superficie del mare potrebbe causare la morte di questo plancton e ridurre così la capacità dell'oceano di assorbire CO2. Allora, una maggior quantità di CO2 resterebbe in atmosfera, con gravi conseguenze per il riscaldamento globale, che è provocato anche dall'anidride carbonica
Ecco qui sotto una bella immagine che ci racconta dei raggi UV.
Trascrivo il contenuto delle finestre, dall'alto in basso, per gli amici visitatori stranieri:
- Oltre il 90% degli UV può penetrare le nuvole
- La neve riflette sino all'80% degli UV
- Gli UV aumentano del 4% ad intervalli di 300 metri d'altezza
- Nelle ore centrali del giorno, tra le 10 e le 14, si concentra il 60% degli UV
- Forte riverbero degli UV sulla superficie delle vele, sul ponte della barca e sull'acqua (circa il 25%)
- All'ombra la percentuale degli UV si riduce fortemente (50% e oltre)
- La sabbia riflette circa il 15% degli UV
- Le basse altitudini e la presenza di edifici riducono l'effetto degli UV
- Nell'arco di un anno una persona che lavora in un ambiente chiuso riceve solo una minima parte dei UV (10-20%) rispetto a quanti ne riceva una persona che lavora in esterni
- Gli UV hanno la stessa intensità sia in superficie che a 50 centimetri di profondità
2 - Ozono: effetto Serra
Per capire l'effetto Serra, vediamo ora come funziona la "caldaia" Atmosfera.
L'"effetto serra" è un fenomeno che indica la capacità di un pianeta di trattenere nella propria atmosfera parte del calore proveniente dal Sole. L'effetto Serra fa parte dei complessi meccanismi di regolazione dell'equilibrio termico di un pianeta (o satellite) e agisce attraverso la presenza in atmosfera di alcuni gas detti appunto gas serra, che hanno come effetto globale quello di mitigare la temperatura dell'atmosfera terrestre isolandola parzialmente dai grandi sbalzi di temperatura a cui sarebbe soggetta la Terra in loro assenza. L'Ozono come detto si comporta "come un gas-serra", ma vediamo in questa sede quali sono i gas serra: Vapore acqueo (H2O), anidride carbonica (CO2), protossido di azoto (N2O), metano (CH4) ed esafluoruro di zolfo (SF6) sono i gas serra principali nell'atmosfera terrestre.
Tra questi, un accenno particolare lo merita la anidride carbonica CO2, che è responsabile per il 5%-20% (la teoria più accreditata è il 15 %) dell’effetto serra naturale. Come osservato nel post 1/4 visuale d'insieme, la CO2 è molto importante perché funge da "termoregolatore" perché trattiene il calore dei raggi solari ma a sua volta li scherma lasciandone passare pochi, evitando un'escursione termica ingente come sulla Luna, che è priva di atmosfera.
Detto anche in altre parole, nonostante la sua piccola concentrazione (0,032%), la CO2 è un componente fondamentale dell'atmosfera terrestre perché, insieme al vapore acqueo e al metano, intrappola la radiazione infrarossa della luce solare riflettendola nuovamente verso la superficie terrestre (appunto l'effetto Serra) impedendo che la superficie della Terra subisca le grandi variazioni termiche del ritmo giorno-notte. Quanto contano le piante? La CO2 viene assorbita dai vegetali con la funzione clorofilliana ed è da questi utilizzata per fissare il Carbonio e restituire l'Ossigeno all'aria. Essa contribuisce anche a trattenere il calore irradiato dalla Terra nello spazio, per cui le sue variazioni influiscono sulla temperatura dell'aria. In effetti la quantità di CO2 presente nell'atmosfera è piuttosto variabile, perché fondamentalmente sono le piante a trasformare la CO2 in Ossigeno, infatti è più abbondante: - di notte, perché le piante assorbono CO2 soltanto sotto l'azione della luce solare, quindi di giorno - nelle aree urbane, perché sono meno coperte di vegetazione
Troppa CO2 in atmosfera, chi è il responsabile?
Sono stati i vulcani le prime fonti di diossido di carbonio (altra denominazione chimica di CO2) atmosferico della Terra neonata, grazie a essa si è potuto instaurare un clima favorevole allo sviluppo della vita. Oggi i vulcani rilasciano in atmosfera circa 130-230 milioni di tonnellate di CO2 ogni anno, ma questa quantità rappresenta meno dell'1% della quantità di CO2 totale liberata in atmosfera dalle attività umane, che è pari a 27 miliardi di tonnellate all'anno: 50.000 tonnellate al minuto.
La combustione dei combustibili fossili (carbone, petrolio) sarebbe la prima causa di questo vertiginoso e preoccupante aumento con il 64%, mentre la deforestazione sarebbe la seconda con il 34%.
Testo dell'immagine sottostante:
il 51% di radiazione che riesce ad arrivare fino alla superficie del pianeta vi giunge in parte sottoforma di
raggi solari diretti (26%), in parte come
luce diffusa dall'aria, dalle nubi e dal pulviscolo
(25%).
Di questo 51% la superficie terrestre ne
riflette il 4% (albedo) e
assorbe il restante
47% riscaldandosi.
Testo di quest'altra immagine sottostante:
L'energia assorbita viene successivamente irradiata verso l'atmosfera sottoforma di radiazioni infrarosse con lunghezza d'onda comprese tra 4.000 e 8.000 nanometri.
E' quindi la superficie terrestre a scaldare
dal basso
e per irraggiamento l'atmosfera.
L'aria è infatti trasparente alle onde corte (spettro del visibile), di cui ne assorbe il 18%, mentre intercetta ben il 96% della radiazione infrarossa irradiata dalla superficie terrestre, mantenendo la temperatura costante e compatibile con la vita.
I gas serra, per le proprie particolari proprietà molecolari-spettroscopiche,
risultano infatti trasparenti alla radiazione solare entrante ad onda corta, mentre riflettono, diffondono oppure assorbono e riemettono la radiazione infrarossa ovvero risultano opachi alla radiazione ad onda lunga (circa 15 micron) riemessa dalla superficie del pianeta riscaldata dai raggi solari diretti.
Il termine deriva dunque dall'analogia con quanto avviene nelle serre per la coltivazione (analogia non del tutto corretta poiché in questo caso vi è anche un blocco della "convezione" atmosferica, che è un'altra modalità di trasferimento del calore). Proprio grazie all'
effetto serra terrestre è possibile lo sviluppo della vita sulla Terra in quanto si evitano le eccessive escursioni termiche dei corpi celesti privi di atmosfera.
Ricordo lo spettro della radiazione elettromagnetica, già vista nel
post Big Bang
Un'altra immagine molto chiara delle
proporzioni tra luce riflessa e luce assorbita.
Notare la percentuale di radiazione solare utilizzata dalla vegetazione terrestre tramite la fotosintesi, appena l'1%....
Nella prima immagine di questa sezione si è parlato di
Albedo, la riflessione della luce da parte della Terra, vediamo meglio in questa bella immagine
in che proporzioni la luce viene riflessa da diversi oggetti sulla Terra e non solo.
Notare che quando si parla di Albedo si intende la luce che viene riflessa nuovamente verso l'atmosfera e lo spazio, quindi:
più la percentuale è alta, meno luce arriva al suolo.
Ricapitoliamo adesso come funziona la caldaia.
I responsabili dell’assorbimento del calore emesso dalla Terra – i cosiddetti
gas serra
– sono principalmente
il vapore acqueo, l’anidride carbonica, gli ossidi di azoto e il metano.
La presenza di questi gas nell’atmosfera fa sì che la temperatura superficiale della
Terra sia attualmente circa 35 °C più alta di quella che si avrebbe in loro assenza.
Questo semplice schemino, seguendo i punti da 1 a 4, spiega in modo chiaro come si riscalda la terra in condizioni naturali normali.
1 - I raggi del Sole attraversano l'atmosfera e riscaldano la superficie terrestre
2 - dalla superficie terrestre, il calore si irradia nell'atmosfera sotto forma di radiazioni infrarosse
3 - il 30% circa della radiazione infrarossa si perde nello spazio
4 - in condizioni naturali, il 70% circa della radiazione infrarossa è assorbito dai gas serra presenti nell'atmosfera che lo riflettono nuovamente sulla superficie terrestre
E qui abbiamo un interessante punto in più.
Nel punto 4 si aggiunge che i gas serra agiscono come pannelli di vetro in una serra, intrappolando il calore e riflettendolo di nuovo sulla superficie terrestre.
Punto 5 - quando aumenta la concentrazione dei "gas serra" in atmosfera, cresce la quantità di calore intrappolato e riflesso. Gli oceani si riscaldano e liberano più vapor acqueo, che a sua volta può incrementare l'effetto serra.
Veniamo al problema invece dell'
intervento umano a danno dell'ambiente.
3 - Ozono Troposferico: inquinamento
Abbiamo già visto nel
post 1/4 in dettaglio in cosa consiste il pulviscolo.
Abbiamo anche già visto più sopra, in questo stesso post, la prossima immagine nello Strato della Stratosfera, ora siamo in grado di capire meglio perché si parla di 'deplezione' (ossia riduzione) dell'ozono e di cloro e bromo: le PSC sono fondamentali perché aiutano a ridurre l'ozono attraverso la produzione dei due componenti. Riguardiamola insieme.
Quindi in condizioni normali c'è un certo equilibrio favorito dalle PSC, ma a causa dell'intenso inquinamento prodotto dall'uomo, le quantità dei componenti inquinanti che danneggiano l'ozono è decisamente fuori controllo e lo Strato di Ozono viene pesantemente ridotto.
Lo Strato dell'Ozono può essere minacciato dai
CFC (Clorofluorocarburi) che sono
sostanze chimiche quasi innocue finché non raggiungono la stratosfera, dove invece sono molto pericolosi. Oltre alle già citate bombolette ai frigoriferi e ai condizionatori, i cfc sono anche presenti nella produzione di materiali quali quelli polistirenici, di cui sono costituiti i vassoi bianchi utilizzati come imballo per molti generi alimentari, come i prodotti a base di carne fresca.
Fin dall’inizio delle ricerche sul fenomeno del Buco dell'Ozono, fu suggerito che la notevole riduzione stagionale della concentrazione di ozono doveva essere dovuta ad una combinazione di fattori fra i quali:
- la chimica dei processi fotochimici dei clorofluorocarburi (CFC) presenti nell’atmosfera
- le temperature estremamente basse al di sopra dell’Antartide
- la presenza del vortice polare
Mesosfera (dal greco "mesos" = mezzo, sfera intermedia)
La mesosfera si estende approssimativamente da 50 a 80-90 km ed è caratterizzata dalla
temperatura che torna a diminuire raggiungendo -90, -80 °C all'altitudine di 80 km, fino a toccare anche i -100°C.
La temperatura diminuisce con l'altezza perché la concentrazione di ozono è così bassa che non è in grado di trattenere molti raggi UV (cosa che abbiamo visto invece avvenire nella Stratosfera) e la radiazione solare non filtrata è intensa.
Qui l'atmosfera non subisce più l'influsso della superficie terrestre ed è costante a tutte le latitudini. La Mesosfera 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 questo strato hanno origine
le stelle cadenti, i piccoli
sciami meteorici, che di solito non riescono a raggiungere la superficie e bruciano prima di raggiungere la terra, lasciando scie luminose.
La maggior parte delle meteore, nel momento in cui risultano visibili a noi, si trovano nella bassa termosfera o nella mesosfera. Ad una quota di 85 Km le Meteoriti incontrano la parte superiore dell'Ozono (mentre la fascia principale di ozono, come abbiamo visto, si trova al di sotto nella Stratosfera) e cominciano ad arroventarsi per il forte attrito. E' in questo strato che avviene il "Meteorscatter", cioè la riflessione delle onde radio a lunga distanza (approfondimento nel
post 4/4 - Viaggio attraverso l'atmosfera: fenomeni naturali e ingegno umano).
A questa quota si possono osservare le
nubi nottilucenti che sono costituite da cristalli di ghiaccio e minutissime polveri: 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 (
jet stream, correnti a getto), che dovrebbero raggiungere velocità fino a 300 km/h.
mesopausa
Questa ulteriore Pausa mostra una nuova inversione dell’andamento termico separando la Mesosfera dallo strato superiore, la Termosfera.
La Mesopausa
è etichettata come luogo più freddo a livello naturale sulla Terra, con temperature inferiori a -143°C. Si trova ad un altezza di circa 100 km ma a latitudini medie e superiori in estate si scende ad altezze di circa 85 km.
Le variazioni in altezza della mesopausa (come già nella tropopausa e nella stratopausa), sono connesse alle correnti a getto presenti a questa quota, ai cambiamenti stagionali di temperatura ed ai processi atomici e molecolari causati dalla radiazione solare.
Al confine tra mesopausa e termosfera comincia ad aver luogo il fenomeno delle Aurore Polari.
L'atmosfera intesa come miscuglio omogeneo di gas termina, come precedentemente indicato, a circa 80 km di quota sul livello medio del mare, in quanto - al di sopra di tale quota - le molecole dei gas di cui l'atmosfera è costituita vengono dissociate o ionizzate.
turbopausa
Vicino alla Mesopausa, questa pausa
segna l'altitudine, nell'atmosfera, al di sotto della quale domina la turbolenza; infatti divide la sottostante
Omosfera (dove i gas hanno una distribuzione approssimativamene uniforme e indipendente dall'altitudine) dalla soprastante
Eterosfera (costituita da gas molto rarefatti e che offre una composizione stratificata a seconda della densità dei gas)
Oltre la mesopausa, alla quota di circa 100 km troviamo la cosiddetta
"linea di karman" qui l'aria è tanto rarefatta da non opporre 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.
Definita l'"occhio dello Spazio" dalla Federazione Aeronautica Internazionale FAI, si tratta di un'altezza indicativa di 100 km (circa 62 miglia) sul livello del mare, oltre la quale termina l'atmosfera terrestre ed inizia lo spazio aperto. In realtà non si tratta di una linea di demarcazione netta, ma è il risultato di un'approssimazione fatta da un ingegnere e fisico ungherese (Theodore von Kármán) che calcolò che a circa 100 km la densità dell'atmosfera è talmente bassa da costringere un velivolo a volare ad una velocità superiore a quella orbitale per sostentersi in volo. Inoltre c'è un eccessivo aumento della temperatura dovuta alle radiazioni solari.
Al di sopra di tale linea è campo dell'astronautica, al di sotto dell'aeronautica, infatti l'aeronautica è definita come l'attività aerea che si svolge entro un raggio di 100 km dalla superficie della Terra.
Bene, il nostro viaggio prosegue, fino a qui spero abbiate trovato interessante il percorso fatto.
Per tornare al
post 1/4 Visione d'insieme
Gli altri post:
- 3/4 "alta atmosfera ed Magnetosfera"
- 4/4 - Viaggio attraverso l'atmosfera: fenomeni naturali e ingegno umano
Riferimenti sul web
- ottimo schema verticale riassuntivo delle suddivisioni dell'atmosfera
https://sites.google.com/site/didatticageo/contenuti/l-atmosfera/limiti-e-suddivisioni-dell-atmosfera
- estratto di schede da una lunga lezione di oltre 300 pagine:
http://www.slideshare.net/leodolcevita/5-c-2010-atmosfera
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