Dispensa n.2 - Composizione e struttura dell'atmosfera.

Avvertenza: i seguenti appunti, tratti direttamente dalla lezione, conservano l'approccio colloquiale. Pertanto, spesso alcuni concetti potranno risultare ripetuti e le digressioni a titolo d'esempio molto numerose.

Il vapor acqueo.

Nella lezione odierna tratteremo della composizione e della struttura dell'atmosfera. Nella lezione precedente abbiamo visto quali sono i componenti costanti dell'atmosfera: azoto e ossigeno.

Fissiamo subito un concetto: che cos'è l'atmosfera? E' un miscuglio di gas che avvolge la Terra e la segue nei suoi movimenti principali (di rivoluzione e di rotazione) e nel cosmo.

In termini più precisi, si dice che l'atmosfera è solidale (termine usato in fisica), ai movimenti della Terra ovvero significa che l'atmosfera è legata, vincolata alla Terra. Detto miscuglio di gas consente tante cose, come abbiamo visto nella scorsa lezione, ma soprattutto, per ciò che vi interessa, consente agli aerei di volare, perché rappresenta la materia su cui poggiano le ali. Probabilmente avete già affrontato il discorso della portanza, perché è proprio per la presenza dell'aria che pressioni e depressioni si creano sulle superfici alari permettendo al velivolo di volare. Nei voli spaziali, ad esempio quelli in cui è impegnato lo Space Shuttle, una parte dell'energia prodotta dai propellenti viene impiegata per vincere l'attrito con l'atmosfera e per raggiungere la velocità di fuga che consente al mezzo di allontanarsi dalla Terra vincendo la forza di gravità. Nello spazio siderale, invece, mancando l'atmosfera e la forza di gravità, i corpi sono liberi di muoversi con ricorso ad energia molto minore rispetto all'ambiente terrestre. Sostanzialmente diverso il discorso nei voli tradizionali, dove l'atmosfera con la portanza aiuta a vincere la forza di gravità ed ai velivoli di sollevarsi dal suolo. Inizialmente, ai primordi della storia aeronautica, prevaleva il concetto del più leggero dell'aria, sfruttando la densità dell'aria. Infatti, si riempivano le mongolfiere con gas più leggeri dell'aria (dapprima idrogeno, poi elio, visto che il primo era esplosivo, come purtroppo ricordano i passeggeri del dirigibile Hindenburg), per sfruttare un principio fondamentale della fisica, quello di Archimede, che consente ad un corpo più leggero (meno denso) di galleggiare. Per cui la mongolfiera si sollevava fino a raggiungere strati meno densi dell'atmosfera.

Ma torniamo alla composizione dell'atmosfera, in modo da fissare alcuni concetti. Abbiamo parlato di componenti costanti: perché questi componenti vengono così definiti ? La spiegazione sta nel fatto che tali componenti gassosi sono presenti in misura costante almeno fino a 100 km di altezza. Ciò è dovuto al rimescolamento degli strati atmosferici. Cosa potrebbe accadere se non vi fosse il rimescolamento ? I componenti gassosi si stratificherebbero a seconda del loro peso, determinato dalla forza di gravità: i più pesanti in basso, i più leggeri in alto. Invece, il rimescolamento, fino a circa 100 km, fa sì che la composizione del miscuglio possa considerarsi costante (azoto 78%, ossigeno 21%, altri 1%). Oltretutto, se non ci fosse il rimescolamento, ovvero lo scambio di calore tra masse d'aria a contenuto termico differente, il calore si accumulerebbe sull'Equatore (colpito perpendicolarmente dai raggi del Sole ). Infatti l'inclinazione dell'asse terrestre rispetto all'eclittica è di 66 gradi e 33 primi e pertanto i raggi del Sole giungono sul polo molto obliqui, mentre sull'Equatore abbiamo visto arrivano diretti. E' proprio la differenza termica tra i Poli e l'Equatore che genera tutte le perturbazioni, che rappresentano il fronte avanzato di masse d'aria con caratteristiche termiche differenti. Da nord abbiamo generalmente masse d'aria fredda, da sud masse d'aria calda. L'incontro di queste masse d'aria produce quei fenomeni che sulle carte meteorologiche vengono rappresentati con fronti o perturbazioni. E' importante a questo punto dire che i componenti costanti hanno poco a che fare con il tempo meteorologico. Azoto, ossigeno, idrogeno elio e tutti gli altri gas che compongono l'atmosfera in misura costante, consentono la vita sulla Terra, soprattutto per quanto riguarda l'ossigeno, però non determinano le condizioni meteorologiche. I fattori che invece incidono sul tempo, sono i cosiddetti componenti variabili. Quali sono i componenti variabili ? Il più importante di tutti è il vapor acqueo, tutta l'acqua contenuta allo stato gassoso nell'atmosfera. Chiariamo subito un concetto: noi siamo abituati a chiamare vapore quella nebbiolina che si vede quando ad esempio l'acqua bolle. Nella terminologia comune può anche andare bene chiamare vapore quella nebbiolina, ma in realtà con vapore acqueo s'intende acqua allo stato gassoso. Quindi, essendo allo stato gassoso, è invisibile.

Ad esempio, in quest'aula sono presenti tutti i componenti che abbiamo visto, tra cui il vapor acqueo, soltanto che non si vede perché è allo stato gassoso. Quando osserviamo la nebbia, il vapor acqueo è passato dallo stato gassoso allo stato liquido: si sono formate delle goccioline. Il vapor acqueo può essere presente dall'1 al 5 percento della composizione in massa. Una idea della variabilità la possiamo avere se immaginiamo due superfici, una marina, e l'altra continentale. Dove ci aspettiamo di trovare maggior vapor acqueo ? Sul mare, poiché il riscaldamento della superficie dovuta al Sole ne provoca una continua evaporazione.

Le località costiere sono notoriamente più umide di quelle poste all'interno. Di primo mattino nei mesi freddi, in campagna si può osservare una leggera nebbiolina che aleggia nelle immediate vicinanze del suolo: bene, questo è indice di umidità elevata. Dove incontriamo zone veramente secche sul pianeta ? Sui territori desertici.

Oltre al vapor d'acqua, vi sono nell'atmosfera ancora altri componenti variabili importanti: anzi, possiamo dire che il solo vapor acqueo non è sufficiente affinché si formino goccioline d'acqua, come dimostrano alcuni esperimenti: se in un contenitore pieno d'aria ma isolato dall'aria circostante portiamo l'umidità al 100%, non noteremo nessuna formazione di goccioline. Si ha la sovrassaturazione. Quando si parla di saturazione dell'aria ? La quantità di acqua che una massa d'aria può contenere allo stato gassoso dipende dalla sua temperatura. Più elevata è la temperatura più acqua può contenere allo stato gassoso.

Chiariamo le idee con un esempio: in un contenitore isolato ho dell'aria poniamo alla temperatura di 25 gradi ed un'umidità relativa dell'80%. Cosa significa un'umidità dell'80%? Significa che a questa temperatura, l'aria contiene l'80% del vapor acqueo che potrebbe contenere. Se l'umidità relativa fosse del 100%, quella determinata massa d'aria conterrebbe il massimo del vapor d'acqua che a quella temperatura le è consentito avere. Cosa accade se la temperatura di quella massa d'aria diminuisce? L'umidità relativa aumenta, poiché col diminuire della temperatura diminuisce anche la capacità di quella porzione d'aria a contenere acqua allo stato gassoso. Infatti, la quantità di vapore acqueo rimane la stessa, ma se a 25 gradi resta gassosa, a 20 comincia a condensare la quantità in eccesso rispetto alle possibilità dell'aria a mantenerla gassosa. L'umidità relativa raggiunge il 100% e in teoria dovrebbe cominciare a condensare (passa cioè dallo stato gassoso allo stato liquido).

Il pulviscolo atmosferico.

In realtà si è potuto constatare che la semplice saturazione, nell'atmosfera, non è sufficiente ad innescare il meccanismo di formazione delle gocce. Se nell'atmosfera non vi fosse il pulviscolo atmosferico, non ci sarebbero condensazione e precipitazioni. Il pulviscolo atmosferico è costituito da granelli di sale rilasciati dalle onde marine sotto l'incalzare dei venti, da rocce disgregate e altro, da tutti quei componenti solidi rilasciati dai fumi industriali. Perché sulle aree a forte concentrazione industriale la visibilità risulta sempre offuscata ? Proprio perché vi è un gran numero di queste particelle solide che favoriscono la condensazione. Queste piccole particelle costituiscono infatti il nucleo per la condensazione del vapor acqueo. Le goccioline nelle nebbie sono molto piccole. La grandezza delle gocce può variare a seconda delle nubi. I cumulonembi, a titolo d'esempio, contengono gocce di notevoli dimensioni. In queste nubi, ad elevata estensione verticale, troviamo un concentrato di fenomeni pericolosi per il volo, tra cui forti shear del vento, grandine, scariche elettriche, formazione di ghiaccio sulle parti esposte dell'aereo che si trova ad attraversarli. Un pilota, tutte le volte che può, cerca di evitarli. Forti grandinate, a causa delle dimensioni dei chicchi di grandine, possono provocare danni ingenti alle strutture esterne dell'aereo. Riguardo alle scariche elettriche (fulmini), l'aereo normalmente si comporta come una gabbia di Faraday. Cosa è una gabbia di Faraday? Visitando le strutture aeroportuali, forse avrete notato che intorno ad alcuni edifici particolari si sviluppa una vera e propria gabbia metallica il cui compito è proteggere ciò che è all'interno degli edifici dai fulmini. Questi edifici solitamente sono centrali elettriche, depositi di carburanti o di idrogeno. Ma in cosa consiste la protezione offerta da una gabbia di Faraday? Se una scarica elettrica si abbatte sull'edificio, la gabbia la assorbe, impedendo che essa possa propagarsi all'interno dell'edificio stesso. Un esempio comune di gabbia di Faraday è la carrozzeria della vostra autovettura. Se un fulmine casualmente colpisce l'auto, esso si distribuisce sulla carrozzeria, lasciando incolumi gli occupanti all'interno. Anche l'aereo si comporta nella stessa maniera, tuttavia una scarica molto forte può mandare in tilt le apparecchiature di bordo. Per cui i temporali in definitiva è sempre meglio evitarli. La loro estensione verticale però spesso non lo consente, in quanto un CB può avere la base intorno agli 800-1000 piedi (FL 010) e avere il top intorno ai 36000 piedi (FL 360). Come vedete, un'estensione verticale notevolissima. Tenete conto che gli aerei di linea volano intorno a FL 300-330. E allora quali ausili si usano per evitare i CB? Gli aerei di linea possiedono normalmente un radar meteorologico con cui è possibile individuare i nuclei più intensi grazie anche alla riflettività alle onde radar delle grosse gocce contenute in questa nube. Se è possibile ciò avviene anche mediante un coordinamento con le autorità di controllo del traffico aereo in ordine ad un cambiamento di quota o di rotta.

In questi frangenti, le previsioni del tempo assumono un significato fondamentale, in quanto, mentre gli aerei più attrezzati sono in grado di evitare i CB, quelli più piccoli potrebbero incorrere in serie difficoltà.

Bene, abbiamo detto tutto questo soltanto per evidenziare le implicazioni della grandezza delle gocce d'acqua.

Anidride carbonica.

Un altro componente variabile è rappresentato dall'anidride carbonica. La molecola dell'anidride carbonica è formata da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. Viene anche chiamata diossido di carbonio. E' un componente presente sin dalla primitiva atmosfera in misura notevolmente maggiore che adesso. Col tempo il diossido di carbonio è andato diminuendo a vantaggio dell'ossigeno.

Ma chi ha operato questa trasformazione?

Le piante, perché nella loro respirazione, assorbono anidride carbonica e rilasciano ossigeno. Ma che ne fanno del carbonio, gli organismi vegetali? Tutte le strutture biologiche, dall'essere più piccolo che riuscite ad immaginare fino all'uomo, sono fondate sul carbonio. Alcuni scienziati, nell'ipotizzare la vita su altri sistemi stellari in cui il carbonio risulta presente in minor misura, hanno pensato che questi organismi extraterrestri si possano fondare sul silicio. Ma non è esattamente la stessa cosa. Ciò vi da un'idea dell'importanza che il carbonio assume per l'esistenza stessa della vita come noi la conosciamo su questo nostro pianeta. Abbiamo detto che si tratta di un componente presente in misura variabile: quindi, dove ci aspettiamo di trovarne in maggior misura?

Soprattutto sui grandi agglomerati urbani, perché è un prodotto della combustione. Laddove si sviluppano incendi, la concentrazione di anidride carbonica tende ad aumentare.

L'anidride carbonica produce delle conseguenze importanti sul riscaldamento dell'atmosfera: l'effetto serra.

L'effetto serra.

L'effetto serra è responsabile quindi dell'aumento della temperatura globale del pianeta. In cosa consiste in poche parole l'effetto serra ? Dal sole, che è la nostra fonte di energia, arrivano i raggi solari: una parte viene riflessa nello spazio, una assorbita dall'atmosfera e una parte giunge sulla superficie terrestre, che a sua volta un po' ne assorbe e un po' la irradia nuovamente verso l'alto. La presenza di anidride carbonica contribuisce a trattenere nell'atmosfera questa energia irradiata dalla Terra, causando un incremento nel riscaldamento dell'aria. Se l'anidride carbonica dovesse aumentare, detto fenomeno diventerebbe ancora più evidente, causando un surriscaldamento globale del pianeta con conseguenze disastrose sui suoi abitanti (desertificazione, scioglimento dei ghiacciai, innalzamento del livello del mare e inondazione delle località costiere).

Ricerche scientifiche svoltesi nell'ultimo decennio hanno evidenziato che il riscaldamento globale verificatosi negli ultimi anni è superiore a quello medio degli ultimi due secoli. Molti enti governativi di tutto il mondo stanno cercando soluzioni di vario tipo per contenere l'inquinamento e il conseguente incremento di anidride carbonica.

Ozono

Anche l'ozono svolge un ruolo fondamentale. L'ozono è ossigeno triatomico. L'ossigeno per avere una configurazione stabile, necessita soltanto di un altro atomo di ossigeno. In natura però, con un apporto energetico esterno, troviamo anche tre atomi di ossigeno legati in qualche misura tra loro, seppure in una configurazione non molto stabile. Ma perché l'ozono è importante ? Esso si trova concentrato in alcuni strati della stratosfera e riesce a filtrare i raggi ultravioletti provenienti dal sole, che, qualora giungessero sulla Terra, creerebbero non pochi problemi agli abitanti della stessa.

Il buco dell'ozono.

Il buco dell'ozono rappresenta un altro di quei problemi di notevole gravità con cui l'umanità si deve confrontare. Spedizioni scientifiche americane sull'Antartide hanno dimostrato che il buco dell'ozono sopra quel continente è in aumento. Ciò rappresenta una grave minaccia per la vita, poiché consente agli ultravioletti di raggiungere indisturbati sulla superficie terrestre, con grave danno per la vita. Ancora una volta i governi di tutto il mondo sono intervenuti, poiché la causa della distruzione dell'ozono è dovuta alla mano dell'uomo, all'inquinamento. La causa principale è stata individuata nei CFC, ovvero clorofluorocarburi, che sono presenti ad esempio nei propellenti delle bombolette spray. Altra fonte di CFC è nei liquidi refrigeranti dei frigoriferi. I CFC distruggono l'ozono poiché si legano al terzo atomo di ossigeno, trasformando l'ozono in ossigeno biatomico.

Riassumendo, abbiamo visto che i componenti variabili dell'atmosfera sono:

Abbiamo anche visto quali sono le implicazioni che questi componenti hanno con la vita di tutti i giorni.

Struttura dell'atmosfera.

A questo punto, per completare il quadro di come è fatta l'atmosfera, dobbiamo esaminarne la sua struttura. Una delle suddivisioni dell'atmosfera è basata sull'andamento della temperatura con l'altezza. Se disegniamo un sistema di riferimento cartesiano, con in ordinata l'altezza in km e in ascissa la temperatura, otteniamo il seguente grafico con cui possiamo seguire il profilo verticale della temperatura.

Nello strato immediatamente a contatto con il suolo fino ad una quota media all'incirca sui 15 km, la temperatura diminuisce con l'altezza di circa 0.65 gradi per ogni 100 metri. Questo decremento viene chiamato gradiente verticale per aria secca o non satura. Intorno ai 15 km, la temperatura smette di diminuire e in un piccolo strato si presenta o isoterma o comincia ad aumentare con l'altezza. Questa interruzione viene chiamata tropopausa, mentre lo strato tra il suolo e la tropopausa prende il nome di troposfera.

Potremmo chiederci come mai la temperatura diminuisce con la quota. Anzi, non dovrebbe essere il contrario visto che innalzandoci ci avviciniamo al Sole? La risposta sta nel fatto che l'aria, in buona sostanza, è trasparente ai raggi del Sole, assorbendone in piccola quantità. La fonte principale di riscaldamento degli strati atmosferici prossimi al suolo è il suolo stesso. Per cui, agendo il riscaldamento dal basso, gli strati più bassi si riscaldano maggiormente di quelli superiori.

Pertanto risulta chiaro che man mano che ci allontaniamo dalla superficie terrestre, l'aria risentirà sempre meno del riscaldamento operato dalla superficie terrestre, per cui andrà raffreddandosi con la quota.

Il tempo meteorologico si svolge tutto nella troposfera, che rispetto alle dimensioni del pianeta, rappresenta una sottilissima pellicola se confrontata ai 6000 km del raggio terrestre. Pensate quale enorme valore ha per la Terra questo sottilissimo strato protettivo.

Nella troposfera, a causa del riscaldamento dal basso, si generano i moti convettivi, che operano un rimescolamento di tutta l'aria in questo strato generando correnti oltrechè orizzontali anche verticali, che costituiscono, questi ultimi, la sostanziale differenza con gli strati più alti dell'atmosfera.

Fissiamo sin d'ora un concetto basilare, che costituisce in buona sostanza il motore dei moti convettivi: l'aria calda è meno densa e quindi più leggera dell'aria fredda. Pertanto tenderà a sollevarsi.

Stratosfera.

Nello strato al di sopra della tropopausa, che prende il nome di stratosfera, poiché la temperatura si mantiene costante almeno fino ai 25 km e poi tende ad aumentare, sostanzialmente non vi sono movimenti verticali dell'aria, per cui tende ad assumere un andamento stratificato, da cui deriva il suo nome. Ma anche la stratosfera possiede un confine superiore, benché meno netto rispetto alla tropopausa: tale confine superiore assume il nome di stratopausa, e si trova all'incirca all'altezza di 50 km rispetto al suolo.

Tuttavia, studi recenti hanno rivelato che anche nella stratosfera vi è un certo rimescolamento, dovuto soprattutto alla presenza di forti venti orizzontali.

Al di sopra della stratopausa la temperatura riprende nuovamente a diminuire.

Ma qual è il significato pratico dell'individuazione dell'altezza della tropopausa ? Soprattutto nei voli di linea, dove la comodità dei passeggeri è fondamentale (non è così per i voli militari), evitare le zone di turbolenza diventa importante: siccome al di sopra della tropopausa, come abbiamo visto, sono assenti le forti correnti verticali, gli aerei raggiungono quelle quote per volare tranquilli. Ad esempio, il Concorde è un tipo di aereo che può raggiungere quote elevate, e scegliere di effettuare un volo nella stratosfera. Una delle rotte commerciali più importanti è rappresentata da quella che passa per il Polo Nord. Tra le considerazioni da fare a tale proposito è che andando verso il polo, la tropopausa si trova a quote via via più basse, rendendo più agevole il volo stratosferico. Ma perché la tropopausa è più bassa ai poli rispetto all'equatore? La spiegazione la ritroviamo nel moto di rotazione della terra attorno al proprio asse. Questo movimento di rotazione provoca una forza centrifuga, che dà alla Terra una forma particolare, detta geoide, dovuta al leggero schiacciamento dei poli. Anche l'atmosfera risente della forza centrifuga, per cui risulta più schiacciata verso i poli e più elevata in corrispondenza dell'equatore. Pertanto le quote caratteristiche che abbiamo visto risultano condizionate dal diverso spessore dell'atmosfera. Sui poli la tropopausa si trova all'incirca intorno ai 6-8 km, mentre sull'equatore raggiunge la quota di 16-18 km. Disegnando un grafico che vede in ascissa un qualsiasi meridiano e in ordinata la quota, ci aspetteremo di vedere una diminuzione costante dell'altezza della tropopausa. Invece è stato rilevato che la tropopausa, subisce due drastiche diminuzioni della quota, intorno ai tropici ed alle medie latitudini, dovuta alla presenza della corrente a getto (jet stream), un vero e proprio fiume di aria a velocità elevata.

Nella prossima lezione tratteremo la temperatura dell'aria.

Questionario:

(rev.01/2001)

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