1 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2011-2012 - UNINA CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE ANNO ACCADEMICO.

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1 1 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2011-2012 - UNINA CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE ANNO ACCADEMICO 2012-2013 GEOSCIENZE LEZIONE 15 * - ATMOSFERA. COMPOSIZIONE, STRUTTURA, PARAMETRI * Icone, grafici e foto provengono da varie fonti. Si ringraziano i relativi Autori ed Editori.

2 2 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE ANNO ACCADEMICO 2012-2013 GEOSCIENZE INTRODUZIONE PARTE PRIMA. TELLUS, LA TERRA E LO SPAZIO PARTE PRIMA. TELLUS, LA TERRA E LO SPAZIO PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE - ATMOSFERA: COMPOSIZIONE, STRUTTURA, PARAMETRI - PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE - PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE - ASPETTI DELLA TERRA FLUIDA - ASPETTI DELLA TERRA FLUIDA - ASPETTI DELLA TERRA SOLIDA - ASPETTI DELLA TERRA SOLIDA - PARTE QUARTA. ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - PARTE QUARTA. ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - PARTE QUINTA. ESCURSIONI SUL TERRENO - PARTE QUINTA. ESCURSIONI SUL TERRENO

3 3 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, COMPOSIZIONE Come massa l’atmosfera è una frazione insignificante del nostro pianeta ma essenziale tanto per i processi esogeni e quanto per la biosfera: è mobile, reattiva, indispensabile per la vita. E’ accessibile e quindi di facile studio, al contrario di quanto avviene per la litosfera e, in misura minore, per l’idrosfera. La composizione dell’atmosfera è stata studiata anche negli altri pianeti così sappiamo che esse sono estremamente variabili, dalle tenui esosfere di Luna e Mercurio alle dense atmosfere di Venere, Giove o Saturno. Poiché si registra una forte variazione anche fra corpi vicini (Terra, Luna), evidentemente deve essere soggetta ad evoluzione differenziata. Sappiamo che l’atmosfera della prima formazione della Terra è molto probabilmente scomparsa; l’attuale è il risultato del degassamento del pianeta dovuto all’attività vulcanica. Dall’attuale composizione dei fumi vulcanici si può avere un’idea dei volatili del degassamento. La composizione è determinata dall’equilibrio gas-magma. Tra i principali componenti volatili ricordiamo: H 2 O (75-90%), CO 2, SO 2, N 2, CO, H 2, Cl - ecc.. La predominanza dell’acqua ci ricorda come la maggior parte del materiale degassato sia servita a formare gli oceani. E’ da notare come nei gas eruttati ci sia assenza di ossigeno.

4 4 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, COMPOSIZIONE Alla luce di queste considerazioni l’ambiente atmosferico primordiale doveva essere riducente, poi ha subito un’evoluzione. Per fotolisi dell’acqua da parte dei più attivi raggi U.V. si verificava: 2H 2 O  2 H 2 + O 2 ; l’idrogeno più leggero è sfuggito mentre l’ossigeno, scarso, veniva rapidamente consumato nella reazione con i gas e i minerali di ferro. In seguito sono comparsi i primi organismi sintetizzati direttamente dall’ambiente quali i chemioautotrofi che traggono energia dalle reazione fra idrogeno (H 2 ) e metano (CH 4 ) e ancora più tardi, in seguito all’impoverimento di idrogeno, si sono differenziate forme molto semplici con capacità fotosintetica e formazione di ossigeno come prodotto di rifiuto del metabolismo. Da quel momento si è avuta una rapida evoluzione tanto dell’atmosfera quanto della materia vivente. L’ossigeno era presente nell’atmosfera già 2 miliardi di anni fa (2 GAF): vi è infatti presenza di strati rossi dovuti a ferro ossidato risalenti a quell’età (v. lez.14). L’evoluzione dell’atmosfera è tuttora in corso soprattutto nei confronti di gas minori come la CO 2. Primo stadio della vita nella protoatmosfera 3500 MAF

5 5 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, COMPOSIZIONE COMPOSIZIONE ATMOSFERICA La Terra è dunque circondata da un involucro aeriforme (atmosfera) ad essa aderente e parte integrante di essa: un vero e proprio oceano gassoso. L’atmosfera è un miscuglio di gas con le seguenti percentuali: azoto 78,09%; ossigeno 20,95%; argon 0,93%; anidride carbonica 0.03 %; idrogeno 0,01% e tracce di gas rari oltre ad ammoniaca e polveri in sospensione. Fino ad un’altezza di circa 11 km il miscuglio di gas rimane invariato sulla Terra a causa dei moti ascendenti e discendenti delle masse aeree inferiori. Oltre 40 km di altezza prevale ancor più l’azoto (più leggero dell’ossigeno e dell’anidride carbonica e anche meno reattivo). Tranne che nelle regioni polari vi è sempre vapor acqueo nell’atmosfera che varia in proporzione volumetrica dall’ 1% al 4%. Il vapor acqueo è praticamente assente sopra gli 8-18 km di altezza. Composizione chimica indicativa dell’atmosfera al livello del mare

6 6 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, COMPOSIZIONE COMPOSIZIONE ATMOSFERICA Nel complesso, la composizione dell’atmosfera non varia molto in altezza eccetto che per l’ozono, il vapor acqueo e l’anidride carbonica, quest’ultima anche per cause antropiche. L’ozono non si origina dalla superficie terrestre ed è concentrato soprattutto alle alte quote. L’anidride carbonica deriva dalla materia vivente, dall’ossidazione dei combustibili fossili ma anche da imponenti eruzioni vulcaniche che l’immettono nell’alta atmosfera. Si registrano così mutamenti considerevoli in quest’ultima zona a causa della sua più bassa densità. Il vapor acqueo, invece, varia considerevolmente nella bassa atmosfera e da zona a zona a secondo delle condizioni atmosferiche, della latitudine e della distribuzione delle terre e dei mari. A 36.000 km di altezza la forza centrifuga della rotazione terrestre equilibra la gravità. E’ qui che s’individua la soglia di fuga dei gas leggeri. Atmosfere comparate di Terra, Marte, Venere

7 7 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA L’atmosfera si considera come formata da strati distinti o sfere a involucro. Il limite non è ben definito: può essere ragionevolmente posto a 1.000 km di altezza ma alcuni lo pongono fino a 36.000- 50.000 km, cioè al limite della soglia di fuga dei gas leggeri, oppure della magnetosfera. La densità diminuisce con l’altezza perché l’aria è un fluido comprimibile. La scienza che studia le proprietà fisiche e chimiche dell’atmosfera è l’aeronomia, branca della Geofisica. Modelli di struttura dell’atmosfera

8 8 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA MAGNETOSFERA Interessa un volume maggiore di quello di tutti gli altri strati. E’ originata dal campo magnetico terrestre. Le perturbazioni della magnetosfera possono influenzare le condizioni atmosferiche. Lo spessore massimo della magnetosfera può giungere fino a 64.000 km dove termina bruscamente. Non ha limite verso il basso: le linee di forza del campo magnetico terrestre si spingono all’interno della Terra solida attraverso i poli magnetici. A partire dallo strato più esterno, la struttura prevede:

9 9 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA La magnetosfera si allarga a ventaglio a partire dalla Terra al di là del lato non illuminato. Fu individuata per la prima volta nel 1958 dal gruppo di ricerca di James Van Allen. I satelliti Explorer e Pioner avevano individuato due grandi fasce di radiazioni intrappolate nel campo magnetico terrestre. In seguito si appurò che non erano due fasce distinte ma una sola grande fascia. Le particelle cariche del vento solare interagiscono con il campo magnetico terrestre comprimendolo dalla parte anteriore ed estendendolo sul lato posteriore. La magnetosfera mette al sicuro la Terra dal bombardamento di radiazioni letali le quali vengono intrappolate in questo campo descrivendo traiettorie a spirale attorno alle linee di forza sempre più strette fino ad essere respinte su spirali di ritorno senza raggiungere mai la superficie terrestre. Penetrano solo vicino ai poli perturbando lo stato molecolare dell’aria e originando le aurore boreali. I raggi cosmici potenti però riescono comunque a perforare la magnetosfera senza essere rallentati. Aurora boreale STRUTTURA DELLA MAGNETOSFERA E DELLE FASCE DI VAN ALLEN Esistono due poli geomagnetici: uno nell'emisfero boreale ed uno nell'emisfero australe. La scoperta scientifica dell'esistenza del campo geomagnetico è attribuita allo scienziato francese del XIII secolo Pierre de Maricourt. Aurora australe nel 2005

10 10 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA MAGNETOSFERA SCHEMA E RUOLO DELLE FASCE DI VAN ALLEN DEVIATO INTRAPPOLATO

11 11 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA MODELLO DI STRUTTURA DELL’ATMOSFERA PROPRIA (senza Magnetosfera) La curva bianca indica la variazione della temperatura Detta anche IONOSFERA 500 km

12 12 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA ESOSFERA La regione dell’esosfera copre la fascia compresa fra 600/1000 km e 9000 km circa di altezza; qui le molecole tendono a sfuggire continuamente nello spazio. Nel corso della storia della Terra la maggior parte delle molecole leggere sono sfuggite nello spazio lasciandovi le più pesanti. L’esosfera è composta da uno strato di circa 1500 km di elio rarefatto e poi da altri circa 6400 km successivi di idrogeno prima del vuoto spaziale. Atomi e molecole sono così distanti che non collidono tra loro e sfuggono facilmente nello spazio. ESOSFERA Numerosi satelliti di prospezione terrestre sono posizionati sul confine basso dell’esosfera, a circa 900 km di altezza. Limite esosfera- ionosfera

13 13 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA TERMOSFERA (IONOSFERA) Comprende la fascia tra 80 e 600-1.000 km di altezza, anche se i limiti non sono ben definiti. E’ caratterizzata da notevoli variazioni di temperatura dell’ordine di 300°C e più. La quantità di molecole presenti è bassa, quindi vi è bassa ritenzione di calore ma poiché vi è incapacità a riemettere le radiazioni a onde corte che le particelle disperse di materia ricevono dal Sole sotto forma di onde lunghe, la temperatura (da intendersi puntiforme) là dove c’è materia è mediamente alta. IONOSFERA

14 14 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA IONOSFERA (Termosfera) La ionosfera propriamente detta è compresa nella fascia tra 80 km e almeno 500-800 km di altezza. E’ costituita da una successione di strati ionizzati. Le radiazioni provenienti dal Sole (raggi U.V., raggi X) incontrando l’atmosfera rarefatta (N 2, O 2 ) la ionizzano e gli elettroni liberi così prodotti rendono questi strati elettricamente conduttori. Il massimo di ionizzazione si registra negli strati D, E, F1, F2. Conseguentemente la temperatura puntiforme è elevata ma l’atmosfera è così rarefatta che ha scarso significato pratico: nessun oggetto potrebbe assorbire calore dall’aria così rarefatta. La ionosfera, elettricamente conduttrice, funziona come uno specchio per le onde radio. La regione più adatta alla riflessione delle onde radio è la regione E ma con frequenze più elevate (onde corte) si ottiene riflessione anche nelle regioni F1 e F2. Con frequenze ancora più alte le onde radio attraversano la ionosfera senza subire riflessioni. Nella ionosfera hanno sede le aurore boreali, australi e le luci polari. Sono dovute all’azione di protoni veloci ed elettroni emessi dal Sole durante i brillamenti o intense attività solari e intrappolati nel campo magnetico terrestre. Secondo altri sarebbero semplicemente collegate a cambiamenti del campo magnetico nelle regioni polari. Riflessione di onde radio sugli strati più ionizzati della Termosfera Aurora boreale

15 15 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA Dettaglio degli strati ionizzati e loro distanza dalla Terra IONOSFERA Frequenza in Hertz

16 16 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA MESOSFERA Comprende la fascia atmosferica che va dai 40-50 km agli 80 km circa. Le temperature sono generalmente basse e stratificate, da - 44°C a - 2°C, più basse nella parte superiore, a circa 80 km ( - 90°C). Lo strato di confine con la ionosfera è definito mesopausa. Dai livelli più bassi possono elevarsi piccole quantità di vapor acqueo che condensa con formazione di nubi sottili nottilucenti. Sottili nubi nottilucenti che si formano nella bassa mesosfera

17 17 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA STRATO DI OZONO A cavallo tra la mesosfera e la sottostante stratosfera, ma più concentrata in questa, s’individua un’ampia fascia di qualche decina di km di spessore denominata fascia dell’ ozono (O 3 ), molecola instabile di ossigeno, che assume un ruolo importante per la temperatura atmosferica e quindi per il clima della superficie terrestre. L’ozono si forma sotto l’azione del bombardamento solare: mentre l’azoto, come noto, è poco reattivo, l’ossigeno invece è piuttosto reattivo. L’emissione elettromagnetica solare può essere paragonata ad un fiume di fotoni. I fotoni a breve lunghezza d’onda (ultravioletti, = 0,1 – 0,2 micron) provocano la fotodisssociazione molecolare dell’ossigeno per cui si avrà: O 2 + h = O + O dove h = costante di Planck (6,62 x 10 -27 erg x sec), = frequenza del fotone. A 100 km di altezza si origina così ossigeno atomico. A 70 km tende a riformarsi l’ossigeno molecolare: O + O + M  O 2 + M con M = altra molecola che assorbe l’energia in eccesso. Gli strati si addensano. Fra i 30 e i 60 km di altezza l’atmosfera si fa più densa; le collisioni fra molecole di ossigeno O 2 e atomi di ossigeno dissociati O diventano più probabili e si ha quindi: O + O 2 + M  O 3 (ozono) + M con M = altra molecola che ha favorito la collisione.

18 18 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA L’ozono è però instabile e tende ad essere decomposto. Ancora con un processo di fotodissociazione avremo : O 3 + h  O 2 + O Il processo di fotodissociazione dell’ozono avviene anche per effetto delle polveri sospese a quote più basse. Il massimo di densità dello strato di ozono si registra a circa 25 km di altezza, cioè nell’ambito della stratosfera ma è comunque molto disperso: se si dovesse concentrare tutto l’ozono dell’atmosfera al livello del mare si otterrebbe uno spessore continuo di circa 4 mm. La presenza di ozono nell’atmosfera è importante perchè assorbe quasi tutte le radiazioni comprese fra 0,2 e 0,3  dannose per la salute. Come accennato, il massimo di assorbimento si registra a circa 40 km di altezza, praticamente al limite tra stratosfera e mesosfera (stratopausa) dove le temperature raggiungono valori elevati. L’ozono può essere destabilizzato dagli effetti antropici (veicoli supersonici, vapore acqueo, ossido di azoto, fluorocarburi ecc.). Il suo spessore varia in quantità nel tempo e in latitudine. Al di sotto di 25 km di altezza può servire come tracciante per seguire il movimento delle masse d’aria. Buco nello strato di ozono rilevato nell’ottobre 1998 (sx) e nel 2003 (dx) Strato di ozono

19 19 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA STRATOSFERA Comprende la fascia che va da circa 18 km a 35-40 km di altezza. E’ una fascia disposta a strati con scarsa miscelazione verticale perché l’aria più calda è sovrapposta alla più fredda. Le particelle estranee che vi penetrano (eruzioni vulcaniche, esplosioni atomiche ecc.), vi permangono per anni (nella sottostante troposfera per pochi giorni) e questo comporta ripercussioni sul clima. Nello strato compreso fra 18 e 30 km si registra una circolazione regolare sopra la fascia equatoriale con inversione del senso delle forti correnti aeree che ne caratterizzano il movimento (correnti a getto). STRATOSFERA

20 20 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA STRATOSFERA, segue Le correnti a getto si formano in corrispondenza di discontinuità della tropopausa. Ne esistono di due tipi, uno sui tropici e uno sulle zone temperate. L’aria si muove ad una velocità compresa tra 160 e 320 km/ora. Le correnti a getto tropicali si spostano in ragione del passaggio periodico del Sole intorno all’equatore. Quelle delle regioni temperate forse condizionano la circolazione della sottostante troposfera. Ogni 12-13 mesi si ha una inversione del senso delle correnti (tipo est-ovest e viceversa). Questa variazione sarebbe collegata ai cambiamenti nella distribuzione dell’ozono nell’atmosfera. Schema di formazione delle correnti a getto

21 21 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA TROPOSFERA Comprende la fascia più bassa e più densa della nostra atmosfera, variamente spessa a partire dal suolo: 18 km sopra l’Equatore, poco più di 8 km sopra i poli. Vi si registra una progressiva diminuzione della temperatura procedendo in altezza fino alla tropopausa. Le particelle più piccole hanno capacità di spostarsi in pochi minuti dal suolo fino alla parte più alta a causa delle correnti d’aria, soprattutto durante i temporali. E’ sede delle precipitazioni che la purificano da particelle e da gas diminuendone così il tempo di permanenza. Da sola contiene l’80% di tutta la massa atmosferica. Vi è presenza di vapor acqueo il quale se venisse tutto eliminato si distribuirebbe per circa 25 mm su tutta la superficie terrestre. Vi avvengono importanti fenomeni: evaporazione, condensazione, precipitazioni, variazioni di pressione, variabilità del tempo atmosferico, alterazione chimica. Troposfera: presenza di acqua atmosferica in sospensione

22 22 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, STRUTTURA TROPOSFERA, segue Il gradiente termico si abbassa con l’altezza: -5,5°C x 1000 metri di altezza, quindi in corrispondenza della tropopausa, la stretta fascia che separa la troposfera dalla sovrastante stratosfera, si registra una temperatura di - 70°C all’equatore e - 50°C sui poli (perché più bassa). L’atmosfera è trattenuta dalla forza di gravità che le fa esercitare una pressione di poco più di 1 kg/cmq. Il corpo umano per controbilanciarla esercita una pressione uguale e contraria. La densità dell’aria, come detto, diminuisce con l’altezza ma per circa 20 km è abbastanza consistente per sostenere aeroplani e palloni. Variazione di pressione e temperatura nella bassa e media atmosfera

23 23 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI Variazione della temperatura nella media-bassa Atmosfera Nella Ionosfera (Termosfera) è possibile registrare temperature puntiformi anche superiori ai 300°C quando le molecole di gas vengono eccitate dalla radiazione solare.

24 24 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA Composizione, struttura e attività dell’Atmosfera PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI

25 25 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI Cosa avviene nella bassa Atmosfera Le FRECCE schematizzano circolazione e mescolamento dell’aria. Le NUBI rappresentano le zone di maggiore precipitazione. I RIQUADRI indicano i tempi di permanenza delle particelle di aria o di vapore acqueo.

26 26 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI LA RADIAZIONE SOLARE Il vapore acqueo, l’ozono e l’anidride carbonica dell’atmosfera, nonostante la loro relativa scarsità assumono una grande importanza nel bilancio delle radiazioni solari nel sistema Terra-Atmosfera. L’energia solare innesca tutti i movimenti dell’atmosfera, i quali sono alla base di gran parte dei fenomeni fisici e biologici della superficie terrestre. Il Sole ha un diametro che è più di 100 volte quello terrestre ed emette 5,2 x 10 24 Kcal/minuto e la Terra intercetta lo 0,5 x 10 -9 (mezzo miliardesimo) dell’ energia totale emessa. La temperatura superficiale del Sole raggiunge i 6000 K°; il massimo di emissione di energia avviene nella lunghezza d’onda di 0,5  m (radiazione del giallo). L’emissione totale di energia è regolata dalla Legge di Stefan-Boltzmann [1] che riguarda l’emissione di un corpo nero, la quale può essere così sintetizzata: ‘l’emissione è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta’ ed è rappresentabile con l’equazione: e o =  T 4 dove:  = costante di Kurlbaum T = temperatura assoluta del corpo irradiante La costante  = 5,669 x 10 -8 w / m 2 K° 4 oppure 5,672 x 10 -5 erg / cm 2 x sec x K° 4. Dove w = watt ; m = metri ; K° = gradi Kelvin. [1] ‘Tutti i corpi in adatte condizioni fisiche emettono radiazioni; la grandezza fondamentale che caratterizza l’emissione è la temperatura. L’energia emessa da un corpo nel vuoto è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta’

27 27 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI LA RADIAZIONE SOLARE, segue Le radiazioni solari a 6000 K° vengono ridotte dal quadrato del rapporto tra il raggio del Sole e la distanza media Terra-Sole. L’energia solare ricevuta dalla Terra all’esterno della sua atmosfera è pari a 1360 w/m 2 al minuto ed è definita costante solare. Essa è indipendente dalle condizioni atmosferiche della Terra. La costante della radiazione solare è anche uguale a 1,94 cal / cm 2 al minuto ma i meteorologi adottano come costante solare un’unità di misura più comoda: il Langley (L) : 1 L = 1 cal/cm 2 al minuto. La Terra riceve circa 2 langley al minuto per ogni centimetro quadrato. Recenti studi hanno accertato che la quantità di energia ricevuta dal Sole può variare nel tempo anche per lunghi periodi. Ciò potrebbe essere messo in relazione ai grandi mutamenti climatici che si sono registrati sulla Terra nel corso del Pleistocene. La variazione della costante solare viene messa dagli astrofisici in relazione all’attività delle macchie solari che originerebbe maggiore o minore emissione di energia elettromagnetica. Spettri di emissione di corpi neri paragonati a quelli del Sole e della Terra

28 28 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI LA RADIAZIONE SOLARE, segue Vi sono variazioni stagionali e latitudinali nella ricezione dell’energia solare che dipendono dall’altezza del Sole sull’orizzonte e quindi dall’angolo di incidenza delle radiazioni solari, nonché dalla durata del dì cioè del periodo di insolazione. La Terra ha una temperatura media di 290 K° (circa 17 C°) ed è quindi anch’essa un corpo radiante che emette energia principalmente intorno ai 10  m, cioè nel campo dell’infrarosso. Variazione della radiazione solare in w/m 2 x min. nell’emisfero Nord d’estate (giallo) e d’inverno (rosso).

29 29 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI LA RADIAZIONE SOLARE, segue Il 25% delle radiazioni solari incidenti sono radiazioni diffuse diverse da quelle dirette. Il cielo, di giorno, ci appare in azzurro per la maggiore dispersione delle radiazioni violette e azzurre nel campo del visibile. La superficie terrestre riceve direttamente il 26% delle radiazioni solari e indirettamente ne riceve il 25%. Ne perde però il 4% per effetto dell’albedo [1] superficiale. La radiazione solare totale che raggiunge la Terra è pari quindi al 51% della quantità intercettata ma la radiazione effettiva goduta è pari solo al 47%. [1] Albedo: è il rapporto fra l’energia ricevuta dal Sole e quella riflessa nello spazio. Il totale dell’albedo terrestre è pari al 35% delle radiazioni: 7% per diffusione dai gas e polveri atmosferiche; 24% per riflessione dalle nuvole; il 4% per riflessione superficiale. Bilancio delle radiazioni che raggiungono la Terra Albedo di superficie

30 30 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI IRRAGGIAMENTO TERRESTRE S’intende per irraggiamento terrestre la perdita di energia della Terra verso lo spazio. Questa perdita di energia viene in gran parte assorbita dall’atmosfera (nubi, vapor acqueo, CO 2 ), per oltre il 90% se il cielo è nuvoloso. Ciò accade perchè le onde elettromagnetiche emesse dalla Terra sono lunghe, ricadono principalmente nel campo dell’infrarosso, e vengono normalmente assorbite dall’umidità e dagli addensamenti nuvolosi. Le nuvole infatti formano una sorta di cappa come i vetri di una serra. Per questo il riscaldamento dell’atmosfera terrestre per effetto delle radiazioni di ritorno del pianeta Terra verso lo spazio viene comunemente definito effetto serra. L’atmosfera terrestre è trasparente per i raggi ultravioletti (U.V.) e per quelli ad alta frequenza ma è opaca per i caldi raggi infrarossi (I.R.) Effetto serra

31 31 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI IRRAGGIAMENTO TERRESTRE, segue La temperatura media della Terra non aumenta per effetto della radiazione solare ricevuta che è ben maggiore di quella emessa perchè alcune zone della Terra (le regioni polari) perdono più calore di quanto ne ricevono. La fascia compresa tra i 40°N e i 40°S ha un bilancio positivo di radiazioni; altrove il bilancio è negativo. Da notare che la superficie terrestre ha un surplus radiativo pari al 30%; l’atmosfera terrestre accusa un deficit radiativo dello stesso valore. Nel corso di un anno per effetto della circolazione atmosferica si registra comunque un riequilibrio termico. Se non fosse così l’atmosfera terrestre si raffredderebbe di circa 0,8 C° al giorno e la superficie terrestre si riscalderebbe fino a 250 °C al giorno. L’equatore meteorologico non coincide con l’equatore geografico ma è spostato a nord: la circolazione atmosferica dell’emisfero meridionale è più forte. La minore distribuzione delle terre causa un rallentamento minore della circolazione atmosferica dovuta al minore attrito cui le masse d’aria sono sottoposte.

32 32 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI TEMPERATURA ATMOSFERICA L’aria diventa più fredda man mano che ci si eleva in altezza. Se ne deduce che il calore dell’aria deriva dall’irraggiamento della Terra e non direttamente dal Sole altrimenti accadrebbe il contrario. REGIME TERMICO DELL’ARIA I fattori che influenzano la temperatura dell’aria oltre l’altitudine sono: inclinazione dei raggi solari che raggiungono la superficie terrestre; distribuzione delle terre e dei mari; presenza di vegetazione sul territorio. L’inclinazione dei raggi solari dipende dalla latitudine del luogo, dalla stagione in corso, dall’ora del giorno, dall’esposizione del luogo nei confronti dell’orizzonte (la parte esposta a sud è più solatìa con microclima più favorevole rispetto alle zone esposte a nord); dalla morfologia del luogo (le zone di pendio ricevono meno energia delle zone in piano). Radiazione solare globale

33 33 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI TEMPERATURA ATMOSFERICA La distribuzione delle terre e dei mari per la diversa inerzia termica che li contraddistingue, determina valori diversi dell’irraggiamento terrestre e quindi temperature diverse dell’aria che ne sovrasta le zone. L’inerzia termica, che misura la capacità dei corpi ad accumulare calore, è infatti bassa per le terre per cui queste si riscaldano molto sotto l’azione della radiazione solare e altrettanto rapidamente si raffreddano. E’ più elevata per le acque le quali impiegano più tempo per riscaldarsi ma anche più a raffreddarsi e quindi fungono da regolatori termici. Le variazioni termiche diurne e stagionali saranno quindi più marcate nelle aree interne continentali (regime continentale) e meno marcate in prossimità delle aree vicine alle grandi estensioni di acqua (mari, grandi laghi; regime marittimo) Carte tematiche delle isoterme

34 34 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI TEMPERATURA ATMOSFERICA, segue La copertura vegetale funge anch’essa da regolatore termico perchè determina maggiore inerzia termica. L’attività biologica delle piante richiede infatti grande assorbimento di calore ma assicura anche elevata produzione di vapor acqueo il quale assorbe calore direttamente dalla radiazione solare e trattiene gran parte dell’irraggiamento terrestre. Nelle aree a vasta copertura vegetale le estati risulteranno più mitigate e gli inverni più moderati, come accade per le aree a regime marittimo. Distribuzione della vegetazione

35 35 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI DISTRIBUZIONE DELLA TEMPERATURA Lo strumento per misurare la temperatura è il termometro. La distribuzione della temperatura viene studiata attraverso l’analisi delle isoterme, linee ideali che uniscono i punti di eguale temperatura, dopo aver ridotto questa al livello del mare, come se non ci fosse l’influenza dei rilievi, con le dovute correzioni. Per operare la riduzione al livello del mare si ricorre al gradiente termico del luogo che mediamente ha un valore compreso tra 0,55 e 0,6 C° per ogni 100 metri di altitudine. La differenza che passa tra il valore della temperatura massima e quello della temperatura minima di un luogo viene definita escursione termica che potrà essere giornaliera, mensile, stagionale, annua. Carte tematiche della distribuzione della temperatura

36 36 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI PRESSIONE ATMOSFERICA L’aria è attratta dalla Terra; ha quindi un peso che equivale a quello di uno strato d’acqua alto 10 metri. Esercita quindi una pressione nelle aree su cui insiste che normalmente è valutata in 1033 gr/cmq a 45° di latitudine (accelerazione di gravità pari a 9,8 m/sec 2 ), al livello del mare e a 0°; la pressione esercitata dall’aria in queste condizioni viene bilanciata da una colonna di mercurio alta 760 mm. Questo valore viene indicato convenzionalmente come atmosfera. In meteorologia viene impiegato come unità di pressione per unità di superficie il millibar (mb) che ha un valore di 1000 dine per centimetro quadrato al livello del mare (1 bar = 10 6 dine/cmq). La pressione normale, nelle condizioni sopra descritte ha un valore di 1013,25 mb. Lo strumento per misurare la pressione è il barometro. BAROMETRO

37 37 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI PRESSIONE ATMOSFERICA, segue Il regime delle pressioni dipende da numerosi fattori che possono essere divisi in generali e locali. Tra i fattori generali individuiamo: la variazione stagionale della temperatura, la diversa distribuzione delle terre e dei mari, lo spostamento delle aree cicloniche e anticicloniche. Generalmente si registrano variazioni minime all’equatore e maggiori man mano che ci si avvicina ai poli. Tra i fattori locali annoveriamo la temperatura, l’umidità, l’altitudine. A causa della temperatura l’aria calda si dilata, quindi diventa più leggera; l’aria fredda si contrae e diventa più pesante. Ne consegue che l’aria calda sale determinando una minore pressione atmosferica mentre l’aria fredda scende perchè più densa e determina una maggiore pressione. Il ruolo dell’umidità dipende dal fatto che l’aria più umida è anche più leggera. Nel miscuglio gassoso che definiamo atmosfera, infatti, la molecola di acqua (H 2 O) ha peso molecolare pari a 18; quella di ossigeno (O 2 ) ha peso molecolare pari a 32; l’azoto (N 2 ) ha peso molecolare pari a 28. Ne consegue che se la quantità d’acqua (vapor acqueo, umidità) aumenta, l’unità di volume di aria diventa più leggera, a parità di temperatura, e quindi tenderà a salire determinando una minore pressione. La differenza dell’altitudine ha influenza perchè, salendo di quota, la massa d’aria che insiste su un punto diminuisce, aumenta la sua rarefazione, accuserà quindi un minor peso e la pressione diminuisce.

38 38 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI PRESSIONE ATMOSFERICA, segue Il regime della pressione atmosferica viene studiata attraverso l’analisi delle isobare (linee ideali che uniscono punti aventi la stessa pressione atmosferica). Le isobare vengono graficate nelle carte isobariche dopo averle ridotte al livello del mare, a 0° e a 45° di latitudine (in regime di gravità standard o normale). Le carte isobariche più usate sono quelle giornaliere, mensili, annue. Carta barometrica dell’emisfero settentrionale

39 39 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI CONFIGURAZIONE DELLE ISOBARE Le isobare possono essere a linea chiusa o a linea aperta. Se le isobare sono a linea chiusa avremo: - una depressione, o area ciclonica. Le linee isobare si presenteranno circolari o ellittiche il cui valore diminuisce al centro. L’aria che si riscalda sale e l’aria che converge al centro per sostituirla si muoverà vorticosamente in senso antiorario nell’emisfero boreale; - una compressione o area anticiclonica. Le linee isobare costituiranno un sistema chiuso e subcircolare con valore massimo della pressione al centro. L’aria più fredda e secca è pesante, scende e diverge verso l’esterno con un moto vorticoso che si muoverà in senso orario nell’emisfero boreale. Area ciclonica Area anticiclonica - +

40 40 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 15. ATMOSFERA, PARAMETRI CONFIGURAZIONE DELLE ISOBARE, segue Se le isobare si presentano a linea aperta avremo: -una saccatura, area ciclonica, di bassa pressione che forma una rientranza nella zona anticiclonica; - un cuneo o promontorio, area anticiclonica, di alta pressione, che penetra nell’area ciclonica come una digitazione. Saccatura di bassa pressioneCuneo di alta pressione _ +