La Terra e il paesaggio Dinamica dell’idrosfera e dell’atmosfera Fabio Fantini, Simona Monesi, Stefano Piazzini La Terra e il paesaggio Dinamica dell’idrosfera e dell’atmosfera

Capitolo 4 Atmosfera: la sfera gassosa Lezione 12 Atmosfera ed energia solare § 4.1 La struttura dell’atmosfera § 4.2 Sfere e pause nell’atmosfera § 4.3 Il riscaldamento dell’atmosfera § 4.4 L’effetto serra

§4.1 La struttura dell’atmosfera L’atmosfera è lo strato gassoso che circonda il nostro pianeta. L’atmosfera è una miscela gassosa in cui azoto, ossigeno, argo e diossido di carbonio sono i gas più abbondanti. L’atmosfera ha uno spessore di centinaia di kilometri. L’aria è inodore e incolore, ha una densità che è quasi 800 volte inferiore a quella dell’acqua. La quantità di un gas presente nell’atmosfera si indica con la percentuale in volume. Ad esempio, dire che l’ossigeno è il 21% in volume significa che su cento litri di aria 21 litri sono di ossigeno. Le molecole gassose tendono ad occupare tutto lo spazio a disposizione.

§4.1 La struttura dell’atmosfera I gas atmosferici, però, non si disperdono nello spazio perché sono trattenuti dall’attrazione gravitazionale terrestre. Si chiama bassa atmosfera la parte dell’atmosfera compresa tra la superficie terrestre e la quota di circa 100 km. L’involucro gassoso che si trova al di sopra di questa quota è detto alta atmosfera. Il 99% dell’intera massa atmosferica, perciò, si concentra nei 30 km più vicini alla superficie del pianeta.

§4.1 La struttura dell’atmosfera La bassa atmosfera è caratterizzata da continui rimescolamenti che impediscono una stratificazione dei gas in base alla loro densità. Diagramma con le percentuali in volume dei vari gas nella bassa atmosfera Nella parte più vicina alla superficie terrestre, l’aria è ricca anche di pulviscolo atmosferico. Nella bassa atmosfera la composizione dell’aria è perciò omogenea e uniforme. Tra 0 e 10 km di quota si trova anche il vapore acqueo, presente nell’aria in percentuale variabile. Il pulviscolo atmosferico è formato da ceneri vulcaniche, pollini e polveri di varia natura e origine.

§4.1 La struttura dell’atmosfera Nell’alta atmosfera i moti dei gas sono ridotti, i gas non si mescolano e si distribuiscono in fasce in base alla densità. L’alta atmosfera si stratifica in base alla densità dei gas. L’azoto si distribuisce al limite con la bassa atmosfera. Al di sopra si trova l’ossigeno atomico, successivamente si colloca l’elio e, infine, l’idrogeno atomico, l’elemento più leggero dell’universo.

§4.2 Sfere e pause nell’atmosfera L’atmosfera può essere suddivisa in involucri concentrici detti sfere in base a variazioni di temperatura con la quota. Ogni sfera corrisponde a una fascia in cui la temperatura varia in modo uniforme, aumentando o diminuendo. L’involucro atmosferico a contatto con la superficie terrestre è la troposfera. In certe fasce di quota la temperatura diminuisce con l’altezza, in altre aumenta.

§4.2 Sfere e pause nell’atmosfera Ogni zona in cui si verifica l’inversione dell’andamento della temperatura rappresenta il confine tra due sfere e viene detta pausa.

§4.2 Sfere e pause nell’atmosfera I raggi solari assorbiti dalla superficie terrestre provocano il riscaldamento delle rocce e delle acque. Il calore riscalda l’aria a contatto con la superficie, l’aria riscaldata diventa meno densa, sale e si raffredda; l’aria fredda è più densa e tende a tornare verso il basso. Nella troposfera la temperatura diminuisce procedendo verso l’alto. La densità dell’aria diminuisce sensibilmente salendo in quota. Nella troposfera si verificano continuamente risalite e discese di masse d’aria, che provocano la formazione di nuvole e originano i venti. La troposfera è caratterizzata da un continuo rimescolamento delle masse d’aria. Nella troposfera avvengono tutti i principali fenomeni meteorologici.

§4.2 Sfere e pause nell’atmosfera A un’altezza variabile compresa tra gli 8 km sopra i poli e i 18 km sopra l’equatore, si trova la tropopausa, sopra alla quale si trova la stratosfera. Nella stratosfera la temperatura aumenta con l’altezza, per la presenza dell’ozono. La formazione dell’ozono determina l’assorbimento della maggior parte delle radiazioni ultraviolette. Nella stratosfera la temperatura aumenta con la quota. Il diverso spessore della stratosfera dipende dal fatto che sopra l’equatore l’aria è più calda ed espansa che non sopra i poli. Lo strato di ozono rappresenta una sorgente di calore, responsabile del riscaldamento della stratosfera. L’ozono ha una enorme importanza per i sistemi viventi, perché i raggi UV sono radiazioni ad alta energia capaci di provocare danni biologici irreparabili. Nella stratosfera non vi sono turbolenze e il vapore acqueo è praticamente assente. Il confine con la sfera successiva è segnato dalla stratopausa a circa 50 km. A questa quota si registra il massimo termico.

§4.2 Sfere e pause nell’atmosfera Sopra la stratosfera si trova la mesosfera. Nella mesosfera la temperatura diminuisce con la quota perché è riscaldata dallo strato di ozono sottostante. Il valore minimo è di circa -80°C e si raggiunge nella mesopausa. Sopra la mesosfera si trova la termosfera. Nella termosfera la temperatura aumenta con la quota.

§4.2 Sfere e pause nell’atmosfera Lo strato di atmosfera compreso tra i 50 e i 1.000 km di quota viene chiamato ionosfera perché contiene molti ioni liberi ed elettroni. La ionizzazione è prodotta dai raggi UV e dai raggi X provenienti dal Sole. Le particelle cariche della ionosfera riflettono le onde radio emesse dalla superficie terrestre permettendo la trasmissione di messaggi radio a distanza.

§4.2 Sfere e pause nell’atmosfera Nella ionosfera si individuano quattro differenti strati ionizzati che sono in grado di riflettere i diversi tipi di onde radio. Tra località molto distanti la trasmissione delle onde in linea retta sarebbe impossibile a causa della curvatura della Terra.

§4.2 Sfere e pause nell’atmosfera La magnetosfera è la fascia dell’alta atmosfera nella quale le particelle elettricamente cariche vengono intrappolate per l’azione del campo magnetico terrestre. Il vento solare provoca la deformazione del campo magnetico terrestre facendo assumere alla magnetosfera una forma allungata dalla parte opposta al Sole. Il vento solare è costituito da particelle cariche.

§4.2 Sfere e pause nell’atmosfera Quando il vento solare è molto intenso, le sue particelle possono avvicinarsi alla superficie terrestre in corrispondenza dei poli magnetici da cui sono attratte, producendo il fenomeno delle aurore polari. Un’aurora polare in cui predominano i colori rosso e giallo è dovuta all’ossigeno. Le particelle cariche, che si muovono ad altissima velocità, colpiscono le molecole dei gas atmosferici azoto e ossigeno caricandole di energia. Queste ultime restituiscono l’energia ricevuta sotto forma di luce. Le aurore polari sono conseguenza del campo magnetico terrestre.

§4.3 Il riscaldamento dell’atmosfera I fenomeni atmosferici sono causati dall’interazione dell’energia solare con la troposfera. L’energia solare è un insieme di radiazioni elettromagnetiche a diverse lunghezze d’onda. L’energia associata a ogni tipo di radiazione dipende dalla lunghezza d’onda. Le radiazioni a lunghezza d'onda corta, come le ultraviolette, sono molto energetiche, quelle a onda lunga, come le infrarosse, sono meno energetiche.

§4.3 Il riscaldamento dell’atmosfera L’energia solare ricevuta dall’atmosfera e dalla superficie terrestre è restituita allo spazio in uguale quantità. Si stabilisce cioè un equilibrio energetico: l’energia in ingresso è quantitativamente uguale all’energia in uscita. La quantità assorbita dalla Terra è poco meno della metà della radiazione solare incidente. La temperatura del pianeta si mantiene mediamente costante nel corso del tempo. 17 17

§4.3 Il riscaldamento dell’atmosfera Il ritorno di energia nello spazio avviene per riflessione e per irraggiamento. L’irraggiamento si verifica quando la superficie terrestre assorbe parte dell’energia solare, si riscalda e riemette energia termica. Prima di essere restituita allo spazio, l’energia in arrivo dal Sole attiva alcuni fondamentali processi naturali: permette la vita degli organismi, fa muovere le correnti marine e girare il ciclo dell’acqua ed è responsabile dei fenomeni atmosferici e meteorologici. Con la riflessione le radiazioni sono respinte direttamente. I raggi riflessi non concorrono al riscaldamento dell’aria. 18 18

§4.3 Il riscaldamento dell’atmosfera Il potere riflettente di una superficie colpita da radiazioni è definito albedo. Vista dallo spazio, la Terra si presenta come una sfera luminosa grazie al potere riflettente delle regioni ricoperte dai ghiacci e delle nuvole. La riflessione di una radiazione dipende dalle caratteristiche della superficie colpita. Anche la Terra ha una albedo. 19 19

§4.4 L’effetto serra I raggi solari passano attraverso i vetri di una serra. La radiazione riemessa, costituita da raggi infrarossi, non attraversa i vetri e rimane intrappolata all’interno della serra. Una serra è una costruzione in cui la temperatura si mantiene elevata anche quando all’esterno è freddo.

La troposfera si comporta come una serra. §4.4 L’effetto serra La troposfera si comporta come una serra. I gas serra, non schermano le radiazioni in ingresso, ma trattengono le radiazioni infrarosse in uscita e sono responsabili del riscaldamento della troposfera. 1. La superficie terrestre è riscaldata dal Sole. 2. La superficie terrestre libera calore. 3. Una parte del calore emesso dalla superficie terrestre si disperde nello spazio. 4. I gas serra presenti in atmosfera trattengono una parte del calore liberato dalla superficie terrestre. Nel flusso energetico che si stabilisce tra Terra e spazio è molto importante il ruolo del diossido di carbonio (CO2) presente nell’aria. Infatti, assieme al vapore acqueo (H2O), assorbe le radiazioni a elevata lunghezza d’onda. L’energia termica viene perciò trattenuta negli strati più bassi dell’atmosfera. 21 21

§4.4 L’effetto serra L’effetto serra ha un’importanza fondamentale: in sua assenza la temperatura media del pianeta si aggirerebbe intorno ai -18 °C, contro i 14 °C attuali. Sono gas serra: • il vapore acqueo (H2O), • il diossido di carbonio (CO2), • il metano (CH4), • l’ozono (O3), • il protossido di azoto (N2O), • i clorofluorocarburi (CFC). Contributi all’effetto serra dei principali gas serra prodotti dalle attività umane. 22 22

Mettiti alla prova L’albedo misura la percentuale di energia solare rinviata dalla Terra verso lo spazio. In che modo la presenza dei ghiacci influisce sulla temperatura globale del pianeta? Più l’albedo è alta, maggiore è l’energia rinviata dalla Terra verso lo spazio. Il ghiaccio rinvia più energia solare rispetto alle altre superfici a causa del colore chiaro. Pertanto, maggiore è l’estensione dei ghiacci, maggiore è l’albedo e minori sono il riscaldamento dell’area e la temperatura. 23 23