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L’atmosfera

L’atmosfera terrestre è l’involucro di gas che riveste il pianeta Terra, trattenuto dalla forza di gravità. Possiede una struttura piuttosto complessa e suddivisa in più strati, chiamati sfere, che dal basso in ordine di altezza sono: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera, ionosfera ed esosfera. Tale suddivisione è ricavata in base all’inversione del gradiente termico verticale. Tra due sfere, dove ha luogo l’inversione del segno del gradiente, si trova una superficie di discontinuità, chiamata “pausa”.

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

  • Azoto (N2): 78,084%
  • Ossigeno (O2): 20,946%
  • Argon (Ar): 0,934%
  • Anidride carbonica (CO2): 0,0407% (407 ppm)
  • Neon (Ne): 0,0018% (18 ppm)
  • Elio (He): 0,000524% (5 ppm)
  • Metano (CH4): 0,00016% (2 ppm)
  • Kripton (Kr): 0,000114% (1,1 ppm)
  • Idrogeno (H2): 0,00005% (0,5 ppm)
  • Xeno (Xe): 0,0000087% (0,08 ppm).

A tali gas si aggiunge il vapore acqueo (H2O), la cui percentuale è piuttosto variabile (dallo 0% al 6%), con una media dello 0,33%, e l’ozono (O3), con concentrazione intorno allo 0,000004% (0,04 ppm).

Sono anche presenti, in tracce, ossidi di azoto (NO, NO2; N2O), monossido di carbonio (CO), ammoniaca (NH3), biossido di zolfo (SO2) e solfuro di idrogeno (H2S).

Non tutti gli strati hanno le stesse concentrazioni di gas: ad esempio il vapore acqueo è presente quasi soltanto nella troposfera, lo strato più basso, ed è praticamente assente nella termosfera e nell’esosfera, che viceversa contengono quasi tutto l’elio e l’idrogeno. La concentrazione del vapore acqueo in troposfera inoltre non è costante, ma varia anche sensibilmente da luogo a luogo e nel tempo in conseguenza del variare del tempo atmosferico ovvero attraverso i processi di evaporazione e condensazione, tappe intermedie del ciclo dell’acqua. L’ozono è contenuto in massima parte nella stratosfera in cui costituisce un importante strato: l’ozonosfera.

Strati atmosferici

In primo luogo si è soliti suddividere l’atmosfera in tre distinte fasce in base alla sua composizione chimica:
l’omosfera compresa tra il suolo e i 100 km di quota dove la composizione chimica media si mantiene pressoché costante a causa dei continui moti di rimescolamento verticale cui è sottoposta. È costituita principalmente da azoto, ossigeno e argon. Nell’omosfera è contenuta il 99.999% della massa dell’intera atmosfera.
l’eterosfera al di sopra dei 100 km di quota, dove si trova un’alta concentrazione di ossigeno atomico (O), prodotto a seguito di fenomeni di fotolisi;
l’esosfera, dove prevale la condizione di equilibrio diffusivo, in virtù del quale la composizione chimica varia con la quota con sempre maggior presenza di gas leggeri quali elio e idrogeno fino a sfumare nel quasi-vuoto interplanetario.

Si è soliti inoltre suddividere l’atmosfera terrestre anche in base all’andamento in funzione della quota dei suoi parametri principali, tra tutti la temperatura.

Troposfera

È lo strato in cui si verificano quasi tutti i fenomeni meteorologici e contiene l’80% della massa gassosa totale e il 99% del vapore acqueo: l’aria della troposfera è riscaldata dalla superficie terrestre ed ha una temperatura che diminuisce con l’altitudine fino ai circa −55 °C della tropopausa.

Stratosfera

È lo strato atmosferico che sta al di sopra della troposfera ed arriva ad un’altezza di 50–60 km. Qui avviene un fenomeno chiamato inversione termica: mentre nella troposfera la temperatura diminuisce con l’altezza, nella stratosfera aumenta, fino alla temperatura di 0 °C.

Mesosfera

In questa zona, che va dai 50 ai 90 km di quota, l’atmosfera non subisce più l’influsso della superficie terrestre ed è costante a tutte le latitudini. Essa è caratterizzata da una accentuata rarefazione degli elementi gassosi e da un graduale aumento di quelli più leggeri a scapito di quelli più pesanti. In questa parte dell’atmosfera la temperatura riprende a diminuire con l’altezza e raggiunge il valore minimo, variabile tra i −70 ed i −90 °C, intorno agli 80 km; a questa quota si possono osservare a volte le nubi nottilucenti, costituite probabilmente di cristalli di ghiaccio e minutissime polveri.

Termosfera

La termosfera è lo strato successivo alla Mesosfera. La temperatura, dopo l’abbassamento avvenuto nella mesosfera, torna a crescere con la quota. Alcuni dati sperimentali affermano che ad un’altezza di circa 300 km la temperatura sarebbe di 1000 °C. Paradossalmente gli astronauti che si trovano a questa altezza necessitano di indossare delle tute riscaldate per non morire di freddo nonostante il gas circostante abbia una temperatura superiore a quella della tuta e quindi le ceda calore. Questo perché a causa della ridotta densità del gas, la quantità di calore che questo è in grado di fornire alla tuta è nettamente inferiore a quella che la tuta perde per irraggiamento.

Ionosfera

La ionosfera è lo strato di atmosfera in cui i gas atmosferici sono fortemente ionizzati: è costituita dagli strati esterni dell’atmosfera, esposti alla radiazione solare diretta che strappa gli elettroni dagli atomi e dalle molecole. Contiene, nel suo insieme, una frazione minima della massa gassosa atmosferica, circa l’1% solamente (è estremamente rarefatta), ma ha uno spessore di alcune centinaia di chilometri e assorbe buona parte delle radiazioni ionizzanti provenienti dallo spazio. La temperatura in questo strato sale con l’altitudine, per l’irraggiamento solare, ed arriva ai 1700 °C al suo limite esterno.

Esosfera

È la parte più esterna dell’atmosfera terrestre, dove la composizione chimica cambia radicalmente. L’esosfera non ha un vero limite superiore sfumando progressivamente verso lo spazio interplanetario e arrivando a comprendere parte delle fasce di van Allen. All’interno di essa si può identificare una linea ideale (molto labile e variabile quindi non contemplata ufficialmente) come confine gravitazionale (frangia atmosferica): in corrispondenza esatta di tale linea un oggetto (o meglio il suo baricentro) quando privo di propria forza cinetica rimane stazionario (né cade verso la Terra, né sale verso lo spazio); un oggetto presente sotto tale linea è ancora soggetto alla gravità terrestre ovverosia ad una caduta verso terra (qualora sia privo di propria forza cinetica si intende); tanto più ci si avvicina a tale linea, tanto più la caduta è lenta, fino a divenire pressoché impercettibile; oltrepassata invece, l’oggetto sale verso lo spazio ovvero si allontana dalla Terra. I suoi costituenti, come già detto, sono perlopiù idrogeno ed elio, in maggioranza particelle del vento solare catturate dalla magnetosfera terrestre (l’idrogeno qualora emesso dalla Terra non raggiunge tale altezza: si ossida in acqua perlomeno raggiunta l’ozonosfera).