L’atmosfera terrestre 1/4: panoramica

Una visione d’insieme di ciò che rende unico e prezioso il nostro Pianeta

È in corso la migrazione dei post dal precedente blog; per vedere i post non ancora migrati visita la Presentazione. Grazie.

L’atmosfera mi ha da sempre molto affascinato, molto prima di iniziare l’avventura con il blog; trovo quindi utile, fondamentale e bello analizzare più nel dettaglio tutti i suoi strati.

foto di Maurizio Cabibbo, Astroinfinityclicca per ingrandire, click to enlarge

Questo è il 1° di 4 post dedicati all’argomento, secondo questo schema:

  • 1/4 – visione d’insieme
  • 2/4 – “bassa e media atmosfera”: Troposfera, Stratosfera-Ozonosfera, Mesosfera
  • 3/4 – “alta atmosfera e Magnetosfera”: Termosfera-Ionosfera, Esosfera-Magnetosfera
  • 4/4 – Viaggio attraverso l’atmosfera: fenomeni naturali e ingegno umano

Forse può sembrare un po’ fuori tema un post addirittura quadruplo sull’atmosfera del nostro pianeta, in un blog di astronomia dove si dovrebbe trattare di stelle, nebulose, galassie, quasar, pulsar, buchi neri ma anche pianeti del Sistema Solare ed extrasolari etc…

In realtà è perfettamente in tema.
Noi “viaggiamo su un’enorme palla di roccia viva, immersa nel vuoto, che ruota su se stessa come una trottola e attorno alla nostra stella seguendola nella sua corsa nello spazio a velocità pazzesca, a sua volta intorno al centro della Via Lattea”. Quindi noi ‘SIAMO’ nello spazio, e così come noi, miliardi di altri pianeti che possono avere atmosfere come la nostra, similari o completamente differenti.

Poi considera la grande promettente ricerca in corso di eso-pianeti abitabili e vita extraterrestre, al fine di scoprire ed analizzare, tra le altre cose, le condizioni atmosferiche di tali pianeti. Ha perfettamente senso quindi partire dal pianeta abitabile che conosciamo più da vicino, la Terra!

L’atmosfera consente ad un pianeta di “separarsi” dal vuoto cosmico e sviluppare in superficie condizioni particolari che possono anche dar luogo al fenomeno “vita organica”; certo non è cosa semplice, anzi è assai complessa e frutto di condizioni che si creano in milioni-miliardi di anni, non qualche secolo, grazie inoltre ad una complicata combinazione di condizioni che giocano e si incastrano insieme.

I d e n t i k i t “Aria = Atmosfera”

Ora procedo ispirandomi ad un ipotetico identikit, che può anche assomigliare un po’ ad un’anàmnesi, storia clinica dedicata proprio a Lei, alla nostra meravigliosa Atmosfera, utilizzando un documento di base, una carta d’identità, per descriverne le numerose interessanti proprietà.

Nome

Aria

Data di nascita

Miliardi di anni fa

Luogo di nascita

Pianeta Terra

Cittadinanza

Internazionale

Residenza: via Strati

“In ogni spazio che sembra vuoto”, tuttavia la residenza ufficiale è suddivisa in strati.

La nostra meravigliosa atmosfera, che ci consente di respirare e vivere su questo pianeta incredibile, non è un “involucro” omogeneo e per questo viene suddivisa in vari Strati (o “Sfere”) posti a quote diverse e che presentano caratteristiche diverse, separati dalle “pause”.

Le caratteristiche che cambiano in ciascuno di tali strati (frecce gialle)sono:
– temperatura
colonna colorata a destra nell’immagine
– composizione chimica
frecce blu, suddivisione in Omosfera ed Eterosfera
– densità
a mano a mano che si sale di quota aumenta la rarefazione
– ionizzazione
particelle che hanno carica elettrica, linea tratteggiata bianca

La suddivisione in strati è dovuta all’inversione del gradiente termico (cioé la temperatura che cambia a seconda della quota). Ogni strato o sfera, aventi ognuno caratteristiche particolari, è separata da limitate zone di transizione dette Pause, poste a quote variabili con la latitudine e la stagione.

Nell’immagine sottostante le vedete come linee azzurre tratteggiate continue o spezzate o ondulate. E’ in queste zone di transizione che ha luogo l’inversione del gradiente termico ed esse vengono definite anche “zone di discontinuità” tra una sfera e l’altra.

Altezza: quota

Circa 500-1.000 km, ma il limite (la cosiddetta “frangia” amotsferica) potrebbe essere a 2.500 km, dove la densità degli atomi diventa pari a quella presente nel vuoto interplanetario.

Una striscia sottilissima se paragonata al raggio terrestre, 6.360 km.

Dimensioni: l’oceano Atmosfera

Un “immenso oceano gassoso“, perché è proprio così che ce lo dobbiamo immaginare, esattamente come gli oceani e i mari terrestri, ma sopra le nostre teste e tutt’intorno a noi.

Questo oceano immenso e spesso centinaia di km è trattenuto dalla forza di gravità della Terra e partecipa al moto di rotazione del pianeta.

Sotto l’azione della gravità e della forza centrifuga dovuta alla rotazione, questa massa d’aria “deve aver assunto una forma grossolanamente sferoidale, schiacciata ai poli e rigonfia all’equatore, esattamente come il globo terracqueo”.
Per questo la chiamiamo “atmòs” = vapore e “sphàira” = sfera.

Peso: la pressione

L’atmosfera, detta genericamente “aria”, poggia sulla superficie terrestre con un peso pari ad uno strato d’acqua profondo più di 10 metri!

L’immagine sottostante recita: “perché non siamo schiacciati dal peso dell’aria?! 10 metri che pesano sulla testa non sono mica pochi!
In realtà è semplice, la pressione è la stessa in tutte le direzioni, è “isotropica”, significa che in un punto essa è uguale in ogni direzione.

La superficie del nostro pianeta è in realtà situata sul fondo di questo vasto oceano d’aria. Esattamente come succede per l’acqua nel mare, l’aria preme costantemente sulla superficie solida o liquida del pianeta sottostante.

Nell’immagine, la pressione atmosferica è rappresentata come il peso di una colonna d’aria: 1 cm quadrato di aria è bilanciato da un peso di una massa di 1 kg (a sinistra il sistema metrico, a destra quello inglese in libbre).

Come dicevo prima, l’atmosfera poggia sulla superficie terrestre con un peso pari ad uno strato d’acqua profondo più di 10 metri. La pressione si riduce però con la quota, 1/10 ogni 20 km.

La maggiore densità dell’aria si trova sulla superficie terrestre, perché a causa della gravità è lo stesso peso dell’aria a comprimerla verso il basso.

Qui sotto un’immagine molto interessante, nella colonna di destra vedi come la pressione in millibar è di 1.000 alla superficie mentre mano a mano che ci si alza in quota scende secondo la proporzione indicata prima:
– già nella parte alta della Troposfera si è dimezzata (che significa che se si sale a soli 5 km la pressione è la metà rispetto a valle)
– all’inizio della Stratosfera è calata di 10 volte

Colore degli occhi: blu Azoto con macchie di nuvola

Come vedrai in seguito, è uno dei vari poteri dell’Atmosfera terrestre, quello della Diffusione della luce per farti credere che il bellissimo cielo sia azzurro-blu e le nuvole bianche.

Segni particolari: umore e personalità mutevoli, la maturità procede con l’altezza

Cambia temperatura, composizione, densità e ionizzazione con l’altezza.
Irrequieta, altalenante, capricciosa nel primo strato e via via più equilibrata matura e protettiva salendo.

Nel primo strato può alternare momenti in cui è tanto dolce, comprensiva, accogliente, premurosa, di supporto, ad altri in cui diventa impietosa, fredda, respingente, lunatica, severa, implacabile e punitiva; tutto questo passando attraverso fasi intermedie più moderate…

Nella tabella qui sopra, quattro distinzioni dell’Atmosfera, le quattro colonne a destra:
– per temperatura
– per composizione
– per ionizzazione
– per campo d’interesse
(fino alla Termosfera la fluidodinamica, Termosfera ed Esosfera la magnetofluidodinamica).

Stato civile: gassoso – la composizione

Nei gas che elenco ora sono contenuti i segreti dei “poteri” che analizzo tra poco.

Composizione:
Omosfera (detta anche Turbosfera per la presenza dei fenomeni dinamici “venti, correnti, turbolenze, moti ondosi”: la turbolenza è la responsabile del brillìo delle stelle o del tremolare dell’immagine quando si guarda la Luna al telescopio)
Eterosfera

Eterosfera sopra i 100 km (Alta Atmosfera: Termosfera ed Esosfera – Ionosfera, Magnetosfera)

Negli strati più alti:
– atmosfera estremamente rarefatta
diversa composizione (non più gas e vapori ma ioni ed elettroni)
– elementi allo stato atomico, la cui concentrazione dipende fortemente dalla quota (stratificazione)
fino 500 km circa prevale Ossigeno
– 500-1500 km prevale Elio ed Idrogeno (Eliosfera)
– oltre i 1500 km prevalgono ioni Idrogeno H+ (Protonosfera)
– fa parte dell’Eterosfera la Ionosfera, che è soggetta alla radiazione solare diretta la quale strappa gli elettroni dagli atomi e dalle molecole; inoltre assorbe buona parte delle radiazioni ionizzanti provenienti dallo spazio (UV, X e gamma)

Omosfera – fino a 80-100 km (Bassa Atmosfera: Troposfera, Stratosfera, Mesosfera e parte bassa della Termosfera)

Negli strati più bassi, l’aria salendo di quota va gradualmente rarefacendosi, l’atmosfera (“aria secca”) ha una composizione pressoché costante, una miscela di gas che ha la seguente composizione chimica media al suolo:

  • Azoto molecolare: 78,08%
  • Ossigeno molecolare: 20,95%
    L’1% circa restante si divide tra:
  • Argon: 0,93%
  • Vapore acqueo: 0,33% in media (variabile da circa 0% a 5-6%)
  • Biossido di carbonio, cioé anidride carbonica: 0,032% (320 ppm)

Altri gas vi compaiono in quantirà trascurabili che si aggirano complessivamente intorno allo 0,01% fra cui Elio (He), Metano (CH4), Ozono (e neon, kripton, xenon, idrogeno, anidride solforosa, ammoniaca, ossido di carbonio etc etc).

Azoto molecolare 78%

In inglese Nitrogen, in italiano Azoto, è composto di 2 atomi, per questo si scrive N2. Risulta incolore, inodore, insapore ed inerte.
Anche se è il componente dell’atmosfera più abbondante, risulta inerte nella funzione respiratoria del mondo organico. Esso viene assorbito direttamente nell’aria solo da alcune piante, come le leguminose, le quali sono perciò di grande interesse in agricoltura (inerti sono anche l’argon e gli altri gas rari).

Ossigeno molecolare – 21%Atmosfera, il grande “polmone” della Terra

Anche questa molecola è composta di 2 atomi uguali.
La peculiarità dell’atmosfera terrestre è la grande abbondanza di Ossigeno, che è prodotto dalle piante con la fotosintesi clorofilliana ed è probabile che questo ossigeno sia il diretto risultato dell’esistenza della vita sul pianeta.

L’Ossigeno è per noi fondamentale; ad altezze superiori ad una decina di km lo troviamo anche in forma triatomica O3, ovvero l’Ozono: tale trasformazione è operata dai raggi UV del Sole, che scindono la molecola di Ossigeno nei 2 atomi, e il singolo atomo si unisce poi ad un’altra molecola di Ossigeno.

Ozono 0,01% – Ozonosfera

Molecola costituita da 3 atomi di Ossigeno. È contenuto in massima parte nella Stratosfera in cui costituisce un importante strato, l’Ozonosfera (post 2/4 bassa atmosfera), che ci protegge dalle radiazioni ultraviolette UV dello spettro solare ed è responsabile della termoregolazione dell’Atmosfera.

Attenzione: nella Troposfera invece questo gas prezioso diventa nocivo, condizioni meteorologiche di bel tempo, scarsa ventilazione e temperatura atmosferica elevata portano alla produzione di “ozono troposferico“, che però è tossico per le vie respiratorie, in quanto aggredisce ed ossida tutto ciò che è chimicamente pronto a reagire (pelle e mucose umane, foglie, metalli esposti all’aria).

Anidride carbonica o Biossido di Carbonio 0,032%

Molecola formata da un atomo di Carbonio e 2 di Ossigeno. È molto importante perché funge da “termoregolatore” perché trattiene il calore dei raggi solari ma a sua volta li scherma lasciandone passare pochi (effetto Serra, sempre post 2/4), evitando un’escursione termica ingente come sulla Luna, che è priva di atmosfera.

il rilascio eccessivo in atmosfera ad opera dell’uomo causa però conseguenti problemi di surriscaldamento

Pur presente in piccola concentrazione, assieme al vapor acqueo (H2O) e al metano (CH4) assume un ruolo fondamentale.

Nella composizione dell’Omosfera ci sono anche:

  • una percentuale variabile di acqua aeriforme (vapor acqueo – max 4%) perché l’aria non è mai completamente secca. Tale vapore acqueo deriva dall’evaporazione dell’acqua dal mare e dalla superficie terrestre
  • Inoltre nell’aria vi sono anche particelle solide trasportate dal vento, cioè “polveri” (pulviscolo atmosferico), generate dalle eruzioni vulcaniche, dagli incendi e dalle attività umane o sollevate dal vento

Vapore acqueovariabile da 0 al 5-6%, media 0,33%

È presente quasi soltanto nella Troposfera, lo strato più basso, in concentrazioni che variano a seconda della quota, della latitudine e anche da istante a istante nello stesso luogo, in conseguenza del variare del tempo atmosferico ovvero attraverso i processi di evaporazione e condensazione, tappe intermedie del Ciclo dell’acqua. Esso sottrae spazio ad altri gas.

Salendo in quota, nel 2° strato che incontriamo, la Stratosfera, l’aria è molto rarefatta, i gas Ossigeno, Azoto e CO2 sono presenti nelle stesse percentuali della Troposfera, tuttavia il vapore acqueo è quasi inesistente e il pulviscolo molto ridotto, così cessano i fenomeni atmosferici. Le nuvole che si formano non generano infatti precipitazioni.

foto di Luis Olalla clicca per ingrandire, click to enlarge

Pulviscolo atmosferico

Oltre a questi gas, l’atmosfera contiene sempre una certa quantità di impurità, chiamate “pulviscolo”, costituito da fini particelle disperse (visibili facilmente in trasparenza attraverso un raggio di luce che penetra in una stanza), che sono in definitiva un prodotto sia naturale che artificiale (attività umane):
– polveri provenienti dalla superficie terrestre e dallo spazio interplanetario
– sali e prodotti di combustione in forma di corpuscoli minutissimi

Tale pulviscolo diminuisce con l’altitudine, dato che le particelle più pesanti tendono a cadere verso il basso. In Stratosfera, essendosi già molto ridotto, assieme al quasi assente vapor acqueo, le eventuali nuvole non producono pioggia.

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Un interessante riassunto di ciò che costituisce il pulviscolo:

  • sabbie
  • polveri da erosioni del suolo, naturali ed artificiali (abrasione asfalto e polveri cemento…)
  • ceneri di origine vulcanica
  • sferule vetrose provenienti dallo spazio, dalla disintegrazione delle meteoriti
  • residui di combustioni naturali (incendi) ed artificiali (motori)
  • fumi provenienti dalle attività umane
  • evaporazione dei mari
  • pollini trasportati dai venti
  • spore e microorganismi quali funghi e batteri trasportati dai venti

Nella Troposfera il pulviscolo atmosferico, che è formato da particelle solide trasportate dal vento, fa sì che piova, spingendo il vapore a condensarsi in goccioline.

Siccome nel pulviscolo sono contenute anche sferule vetrose provenienti dallo spazio, sappiamo che anche i micro-meteoriti, risultato della disintegrazione di una meteora in Mesosfera, sono responsabili della formazione della pioggia.

Quindi la prossima volta che guardi la polvere che galleggia in un raggio di luce, ripensa a tutto quello che contiene, alla sua possibile provenienza ed alla sua preziosissima funzione…

Ulteriori caratteristiche: POTERI

foto di Maurizio Cabibbo, Astroinfinity clicca per ingrandire, click to enlarge

POTERE dell’Invisibilità, impalpabilità

La nostra atmosfera, quando guardi in su verso il cielo, è assolutamente invisibile!

foto Via Lattea dalla Namibia, di Tommaso Rubechiclicca per ingrandire, click to enlarge

Guardi direttamente verso lo spazio senza poterti rendere conto degli strati che il tuo sguardo attraversa istantaneamente.

blue sky without clouds background

Solo fenomeni o effetti stupefacenti che in tali strati avvengono ti danno segnali di queste differenze, vediamone qui un assaggio ma non perderti la divertente carrellata che ci sarà nel post 4/4:
– formazioni nuvolose in troposfera

foto di Maurizio Cabibbo, Astroinfinity

– fulmini
Red Sprites e Blu Jet

clicca per ingrandire, click to enlarge

– nubi nottilucenti
– nubi stratosferiche polari
– meteoriti (le cosiddette “stelle cadenti”)
– brillìo delle stelle
Aurore

Considera che quegli ampi strati invisibili ed impalpabili sono per noi la salvezza perché ci proteggono da morte sicura.

nubi nottilucenti in Mesosfera

In effetti, per la maggior parte di noi che non ne ha fatto esperienza diretta, molti fenomeni che si manifestano in atmosfera restano piacevolissimi spettacoli di cui però spesso non si sa granché e addirittura a volte vengono confusi con tutt’altro.

POTERE della Diffusione della luce – La grande Illusione dei colori

Lo sai, vero?!
Il cielo senza l’Atmosfera (come del resto si vede dallo spazio) risulterebbe completamente NERO e il Sole BIANCO.

Domande: perché allora tu vedi il Cielo azzurro-blu e il Sole giallo? Inoltre perché al tramonto e all’alba il Sole diventa giallo-rosso?

Risposta: quando la luce entra nella Bassa Atmosfera il suo primo incontro avviene principalmente con le particelle di materia (seppur gassosa) più abbondanti in queste fasce atmosferiche, quelle dell’Azoto, e di conseguenza la luce viene deflessa cambiando traiettoria (“Light Scattering” di Rayleigh).

Non è una questione chimica, ma meccanica: la luce viene diffusa in base a “quante” e “quanto grandi” sono le particelle con cui collide, e l’Azoto è il gas che occupa ben il 78% della bassa atmosfera, come vediamo tra poco.
Più la lunghezza d’onda è breve, più luce si disperde. Le molecole di Azoto diffondono con più facilità le frequenze più alte-corte (blu-violetto).

I colori verde, blu e viola sono fortemente diffusi in atmosfera perchè i loro componenti vengono diffusi dappertutto (sono loro i responsabili del cielo azzurro).

I colori giallo e rosso invece non vengono diffusi dall’atmosfera e i loro componenti dello spettro visibile proseguono la loro traiettoria senza venire deviati. Per questo li vediamo solo quando guardiamo direttamente il Sole alto in cielo oppure all’alba e al tramonto (per un altro fenomeno, la diffrazione della luce).

  • il grosso della luce arriva direttamente dal Sole
  • la luce blu diffusa proviene da tutte le direzioni per il fenomeno della diffusione
  • il Sole, che è bianco, ci appare giallastro perché gli è stata sottratta un po’ di luce blu

Domanda: perché le nuvole sono bianche (come anche latte e farina)?

Risposta: le particelle di latte o farina, o le goccioline d’acqua delle nuvole diffondono uniformemente tutte le frequenze (il bianco è la somma di tutti i colori); siccome il processo si ripete moltissime volte all’interno del mezzo (nuvola, latte o farina), la direzione di provenienza della luce non è più riconoscibile ed il mezzo assume il colore bianco.

Infine, se ti dicessi che in realtà il cielo al quale siamo abituati non è azzurro ma viola?! Esatto, è proprio così!

  • il viola è il colore, la frequenza o lunghezza d’onda più piccola tra quelle dello spettro della luce visibile del Sole, quindi dovrebbe essere la più diffusa
    TUTTAVIA
  • nello spettro del Sole c’è molto più blu che viola
  • i fotorecettori della retina del nostro occhio sono meno sensibili al viola
immagine dello spettro del Sole, Gruppo Astrofili Galileo Galilei GrAG

Inoltre a schiarire il blu del cielo fino a quell’azzurro tenue concorrono tutte quelle particelle soprattutto di acqua, sospese nel cielo e che intercettano meglio i raggi del sole quando sono in pianura.

POTERE della rarefazione – la Magia della Densità

Felix Baumgartner che compie un nuovo record nel 2012 (39 km)

Questo è uno dei casi di fenomeni poco conosciuti e per niente familiari.
Si dice che “allontanandosi dalla Terra, l’aria va sempre più rarefacendosi”: quando si parla di “aria rarefatta” non è facile capire cosa vuol dire, e mi vengono in mente a questo proposito i racconti di quegli intrepidi che si sono lanciati dalla Stratosfera dall’altitudine incredibile di 41 km.

Ebbene lanciandosi da quell’altezza all’inizio non avevano neanche la sensazione di stare precipitando, poiché la loro tuta non faceva quello che fa di solito nella Troposfera, cioè essere sbattuta violentemente dall’attrito con l’aria mentre i capelli e la pelle sono soffiati verso l’alto.

Skydive Greece – la più antica Accademia di caduta libera in Grecia (1988)

Al contrario era praticamente ferma e solo grazie all’altimetro sapevano di essere in caduta (l’altimetro è uno strumento usato dai paracadutisti e parapendio che emette un suono che cresce o decresce a seconda che ci si stia alzando o abbassando di quota, poichè quando si è per aria non si hanno più riferimenti per capire se si sta salendo o scendendo).

POTERE bis/alta quota – di annullare la temperatura: “temperature cinetiche”

Conseguenza del potere della Rarefazione, nella Termosfera ed Esosfera troviamo temperature che arrivano dai 400°C fino ai 1.700°C, tuttavia le straordinarie tute degli astronauti devono essere internamente riscaldate altrimenti i nostri “passeggiatori spaziali” congelerebbero.

Questo perché si tratta di “temperature cinetiche”: se fossimo a livello del suolo risulterebbero tragicamente reali, ma essendo in atmosfera a forte rarefazione di atomi e molecole, ciò non accade, perché sono troppo distanti tra loro.

Credits NASA

POTERE bis/bassa quota – di filtrare il calore

Conseguenza della forte densità presente nella Troposfera, le formazioni nuvolose sono capaci di filtrare la componente Infrarossa IR della radiazione solare da una semplice velatura fino ad un notevole oscuramento. In Italia diciamo anche “decidere il bello e il cattivo tempo” .

foto di Maurizio Cabibbo, Astroinfinity

POTERE dell’adattabilità“Be Air my friend!”

Anche se invisibile, inodore e incolore, l’aria esiste e ha degli effetti su tutto ciò che ci circonda. L’aria esercita una pressione e occupa tutto lo spazio che ha a disposizione, è diversa dal vuoto e occupa un volume.
Come hai sicuramente sperimentato, se provi a schiacciare una bottiglia di plastica vuota e chiusa non ci riesci, perché al suo interno, dove apparentemente non c’è niente, è contenuta aria. Per riuscire a schiacciarla devi svitare il tappo.

“Elastica, espandibile, pesante e forte anche se non sembra, sensibile al calore, isolante. Cambia composizione a seconda delle situazioni e dei luoghi. Invisibile, ma costantemente presente.”

Lezione sull’aria della prof.ssa Gatta
carinissima idea all’interno di una lezione sull’aria della Professoressa Lucia Gatta

Trascrivo per permettere la traduzione:
Nome: Aria
Nato il: Miliardi di anni fa
A: Pianeta Terra
Cittadinanza: Internazionale
Residenza: In ogni spazio che sembra vuoto
Stato civile: Gassoso
Connotati e contrassegni salienti: Elastica, espandibile, pesante e forte, anche se non sembra, sensibile al calore, isolante. Cambia composizione a seconda delle situazioni e dei luoghi. Invisibile ma costantemente presente.

POTERE della Rifrazione della luce – Non è dove credi!

Non dimenticare anche il talento illusionista di questo oceano di aria, la rifrazione della luce. Esattamente come l’acqua devia il raggio di luce, lo stesso accade nell’atmosfera.

La stella che stai guardando, incredibilmente non si trova nella posizione in cui sembra essere (S’), infatti la reale posizione è oggettivamente spostata nello spazio (S).

La rifrazione avviene non solo nel passaggio tra il vuoto dello spazio e l’atmosfera, ma anche all’interno di uno stesso mezzo la cui densità varia in modo uniforme, come l’atmosfera, incontrando strati sempre più spessi e densi.

Ricordi la tabella della pressione di prima, essa ti da un’idea della differenza di densità degli strati…

L’atmosfera esercita nei confronti dei raggi luminosi che la attraversano un’azione di disturbo. Infatti essi cambiano direzione e vengono dispersi od assorbiti dagli strati atmosferici, che per loro natura sono disomogenei, a causa delle differenze di temperatura, densità ed altezza.

Così capita che guardi un Sole tramontare (Sole ad Omega) quando in realtà è già al di sotto dell’orizzonte. Illusione chiamata “Fata Morgana”.

POTERE del fulmine: il potere del Sole sulla Terra

Il 4° stato della materia, il plasma, si crea in alcune occasioni tra le quali tempeste ed eruzioni vulcaniche.

foto di Valentina Albinanti, www.tornadoseeker.com clicca per ingrandire, click to enlarge
credits Mahal Stikut

POTERE degli Effetti Speciali

Non posso mancare di citare quello spettacolare fenomeno che è il risultato dell’interazione delle particelle ad alta energia del Sole con la Ionosfera e gli Ioni lì presenti, la meravigliosa Aurora.

Credits Maciej Winiarczyk clicca per ingrandire, click to enlarge

POTERE di propagare il Suono

Permette la propagazione di suoni e rumori. Dove non c’è aria, non c’è rumore, perché le onde sonore non possono propagarsi nel vuoto (nella campana di destra è stata tolta l’aria, quindi il campanello pur vibrando non emette rumore).

In realtà questa affermazione non è del tutto corretta, perché il vuoto non è mai completamente vuoto, anche se rarefattissimo, quindi alcune frequenze si propagano anche nel vuoto, ma tali frequenze non sono udibili dall’orecchio umano, che è predisposto per “sentire” nel suo ambiente naturale, la Terra.

aereo a reazione che infrange il “muro del suono”

POTERE di comunicare a distanza: riflessione onde Radio

La Ionosfera è la sede di formazione delle bellissime Aurore, ma costituisce anche una preziosa zona di riflessione delle onde radio che consente la comunicazione a distanza.

Professionalità multiple h24

Per questo capitolo la slitta di Babbo Natale mi sembra più che adeguata…

foto di Maurizio Cabibbo, Astroinfinity

Nota Bene: ovviamente le professionalità sotto esposte, a scanso di equivoci, sono puramente nell’ottica spiritosa della “carta d’identità” ipotizzata, quindi i “compiti” dell’Atmosfera sono unicamente da interpretare in questa chiave.

L’Atmosfera si fa letteralmente in 6 per mantenere la sua numerosa e nutrita “famiglia” di cui è responsabile:
– la Biosfera (l’insieme degli organismi viventi)
– la Litosfera (le rocce solide dello strato esterno della Terra)
– l’Idrosfera (gli oceani, i mari, i laghi e i fiumi, i ghiacciai)
Esiste un continuo circolo e riciclo degli elementi attraverso le sfere (a causa delle reazioni chimiche che modificano le strutture chimiche), e questo è essenziale per l’esistenza delle sfere stesse (specialmente per la biosfera, ma anche per l’atmosfera e l’idrosfera).

Professionalità: trattenere l’Ossigeno = Vita

Viviamo respirando un TESORO
Certo l’Ossigeno non lo ha creato Lei, lo hanno prodotto le alghe in milioni di anni, ma l’Atmosfera ha il compito di contenere e mantenere l’Ossigeno fondamentale per i processi di respirazione e combustione, attraverso un delicato e complesso processo.

Senz’aria la maggior parte degli esseri viventi non riuscirebbe a vivere:
– l’Ossigeno in essa contenuto è infatti indispensabile per la respirazione
– l’Anidride Carbonica o CO2 è fondamentale nel processo di fotosintesi clorofilliana
– l’Azoto (Nitrogen) è il responsabile della formazione delle molecole che stanno alla base della vita

Ognuno di noi, solo con la respirazione, consuma ogni giorno circa 19.000 litri di aria contro i 2,5 litri di acqua utilizzati per bere: una bella differenza!!
Forse non si riflette a sufficienza sul fatto che si può sopravvivere per qualche giorno senza cibo o senza acqua, ma non senza aria!
* senza acqua: 2-3 giorni
* senza cibo: 6-7 giorni
* senza aria: solo pochi minuti !

Professionalità: schermo-disintegratore minacce spaziali

L’Atmosfera ha il compito di costituire uno schermo che protegge la superficie terrestre dall’impatto potenzialmente devastante dei meteoriti, disintegrandoli o quantomeno disintegrandone gran parte della massa e riducendoli così di dimensioni, prima che raggiungano la superficie.

potenza di un meteorite che impatta sugli strati alti dell’atmosfera

Non è sempre un lavoro facile, di solito si risolve in un affascinante spettacolo notturno, le cosiddette “stelle cadenti”

Ma qualche volta una roccia più o meno grande riesce a superare la barriera e può diventare assai pericolosa per gli effetti fisici sul territorio:
boom sonico
onda d’urto
vetri rotti
cratere da impatto
di un oggetto che piove sulla superficie a qualcosa come 65.000 km/ora

meteorite di Chelyabinsk

Professionalità: schermo-filtro radiazioni letali

L’Atmosfera media ha il compito di costituire uno schermo che protegge la superficie terrestre dall’azione delle radiazioni ultraviolette UV del Sole, oltre a schermare dalle altre radiazioni ionizzanti.

Le componenti UV-B e UV-C sono quelle più nocive per la pelle (Fascia di Ozono) e fortunatamente per noi quelle che non arrivano in superficie. Dalle UV-A ci si deve proteggere come è noto tramite creme anti-UV apposite, soprattutto in determinate fasce orarie in base alla stagione e all’altitudine.

Professionalità: operatrice Meteo

L’Atmosfera bassa ha il compito di stimolare i fenomeni meteorologici (principalmente in Troposfera, ma qualcosa anche in Stratosfera ed in Mesosfera)

foto di Maurizio Cabibbo, Astroinfinity clicca per ingrandire, click to enlarge

Professionalità: Relazioni Internazionali – Aria/Acqua “amici per la pelle”

Può esserci Acqua senza Aria?
Rende possibile il Ciclo dell’Acqua. che pone in evidenza l’importanza dell’aria anche per l’esistenza dell’acqua, cioè la stretta interconnessione tra i 2 elementi.

L’Atmosfera bassa, in questo caso l’aria della Troposfera, contiene grandi quantità di vapore d’acqua, però invisibile; quando il vapore condensa in cielo appaiono le nubi, che sono fatte di gocce d’acqua.
Quando le nuvole sono abbastanza grandi e fredde comincia a piover o nevicare e la terra si rifornisce d’acqua, che si infiltra sottoterra o scorre nei fiumi e riempie i laghi.

In sostanza ricorda: senza aria, niente acqua da bere! Senza atmosfera non esisterebbero né i mari né gli oceani e nemmeno i laghi!

Professionalità: EcoSerraTermostato

L’Atmosfera ha il prezioso e delicato compito di regolare il processo di riscaldamento della superficie terrestre, ridistribuendo su tutto il pianeta il calore che riceviamo dal Sole (“effetto Serra”).

Insomma, fa caldo o fa freddo?

Ho accennato alla temperatura, che è uno dei fattori determinanti per la decisione di suddividere l’atmosfera terrestre in Strati.
Qui una bella rappresentazione delle temperature che troviamo in ogni Strato.

Alcune immagini che mostrano in modo chiaro come cambia la temperatura a seconda di quanto ci si alza di quota, indicativamente -6°C ogni km, salvo l’imprevisto chiamato “gradiente termico”.

Ecco l’andamento preciso, con la scala in basso per leggere la temperatura, attraverso Strati e relative Pause. Osserva come nella Stratosfera, dopo un iniziale costanza di temperatura, essa riprende a salire (gradiente termico) grazie allo Strato di Ozono che filtrando i raggi UV surriscalda l’atmosfera.

Qui una rappresentazione dove puoi apprezzare lo Strato del “cambiamento, rivolgimento”, della Vita, la Troposfera.

Infine una tabella tecnica, molto precisa, distinta con colori che aiutano a comprendere meglio l’andamento.

Bilancio Termico:
perché il Sole è così fondamentale per la Terra?

Un concetto importante:
tutta l’energia che l’uomo ha a disposizione, sia quella racchiusa nell’atomo o accumulata nelle materie combustibili, sia quella sparsa nel suolo, nei fiumi, nel mare e nell’atmosfera – deriva, direttamente o indirettamete dal Sole.

La quantità di calore proveniente da altri corpi celesti o dall’interno della Terra (pur così caldo) è trascurabile al confronto con quella trasmessa dai raggi solari.

La Costante Solare:
quanta energia solare utilizza il sistema Atmosfera-Terra
?

Come un’immensa fornace, il Sole emette continuamente una radiazione intensissima; di questa radiazione inviata dallo spazio, la Terra riceve tuttavia solo una porzione trascurabile, pari a quasi 1/2 miliardesimo del totale.

Questo significa che al limite superiore dell’atmosfera, su ogni cm quadrato di superficie orientata perpendicolarmente alla radiazione, arrivano circa 2 piccole calorie al minuto (2 langley/min). Questa quantità è detta “Costante Solare” (anche se in realtà essa presenta delle lievi oscillazioni intorno al suo valore medio, legate alla variazione della distanza Terra-Sole e al numero di macchie solari).

Tradotto, la Terra è costantemente bombardata da enormi quantità di radiazioni, principalmente dal Sole, anche se questa quantità è ridottissima rispetto a quella emessa in generale. La Costante solare è così chiamata proprio perché non si ferma mai, non cessa mai di investire il nostro pianeta, non da tregua!

credits astronaut Terry Virts

Nella nostra atmosfera entrano principalmente onde corte, che una volta riflesse si trasformano in onde lunghe. Quasi tutta la radiazione elettromagnetica proveniente dal Sole (circa il 99%) è composta in larga misura da:

  • la radiazione visibile (la luce, minima parte dello spettro elettromagnetico)
  • solo una minima parte degli ultravioletti UV (UV-A e poco UV-B)
  • una larga parte degli Infrarossi IR (quelli che danno la sensazione di calore)
  • le onde radio
credits prof. Vittorio degli Esposti – Alma Mater Studiorum – Facoltà Ingegneria Bologna

A – la quasi totalità di queste radiazioni ha lunghezze d’onda tra 0,17 e 4 micron – “onde corte”, e l’aria (l’atmosfera e i gas serra) è infatti trasparente alle onde corte (spettro del visibile), di cui assorbe il 18%

B – la Terra riceve quindi energia dal Sole, la assorbe e converte in calore e, di conseguenza, emette anch’essa energia (tra 4 e 80 micron – “onde lunghe”).
L‘atmosfera (gas Serra, fascia di Ozono) infatti intercetta ben il 96% della radiazione IR irradiata dalla superficie terrestre (FIR), mantenendo la temperatura costante e compatibile con la vita.

Il sistema Terra-atmosfera guadagna e perde energia:
A meno B = “Bilancio Termico” (bilancio radiativo), cioè la differenza tra la radiazione solare che entra e la radiazione terrestre che esce.

“Effetto Serra” ed equilibrio di Bilanciamento:
Come smista l’atmosfera questa energia?

Quando la radiazione solare raggiunge l’atmosfera una parte viene dispersa, una parte assorbita o deviata ed un’altra parte riflessa, quindi quella che raggiunge la superficie terrestre rappresenta la “radiazione globale” con il 51%.

Tuttavia la “radiazione effettiva”, tolta la riflessione media della Terra stessa o Albèdo (oceani, laghi, nevai e ghiacciai, vegetazione etc), si riduce al 47%.
Questo 47% si trasforma in energia che viene riflessa dalla terra come radiazioni ad onde lunghe in questo modo:

  • 23% evaporazione
  • 10% moti convettivi e turbolenti troposfera
  • 14% “radiazione notturna” che attraversa l’atmosfera in buona parte

Il potere riflettente detto “Albèdo” è il 35% (questa è la percentuale di radiazione che il sistema terra-atmosfera riflette immediatamente nello spazio), così composta:

  • 31% nubi, pulviscolo e le particelle di vapore (le nubi, che i piloti degli aerei sanno comportarsi come eccellenti “riflettori”, da sole quando il cielo è completamente coperto possono riflettere fino all’80% delle radiazioni luminose)
  • 4 % superficie terrestre

L’albèdo è, come facilmente intuibile, molto variabile in base ai diversi materiali componenti della superficie terrestre: più è alta la % di albedo, più è alta la riflessione della luce e meno si scalda il materiale

  • terreno erboso a. 20% (=80% radiazione assorbita, si scalda molto)
  • deserto sabbioso a. 30%
  • neve fresca a. 80% (=solo il 20% della radiazione è assorbito, quindi lo strato nevoso si riscalda poco e può mantenersi a lungo anche sotto il sole cocente)

La grande Magia che rende la Terra speciale:
Superficie = Piastra, Atmosfera = Serra

Quindi in conclusione il sistema Terra-atmosfera dispone solo del 65% della radiazione solare incidente (quella assorbita).
Inoltre la quantità di energia assorbita (e riemessa) dalla superficie terrestre (47%) è notevolmente maggiore di quella assorbita dall’atmosfera (16%).

Di conseguenza la gran parte del calore atmosferico deve derivare indirettamente dalla superficie che funziona come una “piastra”, riscaldando l’aria dal di sotto.

L’atmosfera si comporta “come i vetri di una serra”: come questi, essa lascia passare senza perdite sensibili le radiazioni luminose solari (tranne quelle dannose o letali) che provengono dallo spazio, ma intercetta (e trattiene) le radiazioni termiche terrestri che provengono dal basso, e così può mantenersi calda (effetto serra).

Equilibrio Termico:
ecco perché la temperatura media non va aumentando continuamente

Se si prendono in considerazione lunghi intervalli di tempo, si può constatare che la sua temperatura media non va continuamente aumentando, come ci si dovrebbe aspettare.

Ciò significa che a lungo andare il sistema Terra-atmosfera restituisce allo spazio la stessa quantità di energia che riceve dal Sole.

Questo “Equilibrio Termico” si verifica però:
– nel corso di 1 anno intero
– per il globo terrestre nel suo complesso
Non certo in poco tempo o per regioni singole, per le quali anzi il bilancio può essere negativo o positivo.

Così, ad esempio
– la zona equatoriale assorbe + calore di quanto ne perde (bilancio +)
– le zone polari perdono più calore di quanto ne ricevono (bilancio –)
Tuttavia accade che nel corso dell’anno
– la zona equatoriale non diventa + calda
– le zone polari non diventano + fredde

Questo perché il calore si trasferisce dai luoghi + caldi a quelli + freddi, consentendo il mantenimento delle temperature medie che noi osserviamo: il passaggio di calore avviene mediante i grandi movimenti dell’aria che costituiscono la “Circolazione Generale dell’atmosfera” ed anche ad opera delle “correnti marine”.

Conclusione: breve visita alla residenza – gli Strati

Prima di passare finalmente ai riassunti schematici, eccoti una panoramica sintetica da memorizzare.

Bassa Atmosfera (detta anche “Turbosfera”; comprende Troposfera, Stratosfera con Ozonosfera, Mesosfera)

Fino a circa 100 km, “linea di Karman”, composizione chimica abbastanza omogenea, le turbolenze rimescolano i gas mantenendo più o meno costante il rapporto tra i loro componenti.

  • TROPOSFERA (lo strato dei rivolgimenti o turbolenze):
    qui avvengono i principali fenomeni meteorologici e le principali “turbolenze” (ma non solo qui in realtà)
  • STRATOSFERA (lo strato senz’acqua):
    qui il vapor acqueo è pressoché assente e i gas sono molto più rarefatti rispetto a quelli in troposfera. La temperatura aumenta con il crescere della quota poiché qui è presente il principale responsabile del riscaldamento dell’aria di questo strato, l’Ozono
  • >>>> OZONOSFERA (torna il caldo):
    l’Ozono in questo strato è fondamentale per la vita perché filtra le componenti dei raggi UV più nocive per la pelle, UV-B, UV-C e parte delle UV-A, producendo calore

  • MESOSFERA (gas sempre più rarefatti):
    qui la temperatura torna a diminuire, raggiungendo i – 100°C in corrispondenza della Mesopausa, inoltre qui si disintegrano i meteoriti formando le “stelle cadenti”, e da qui inizia la Ionosfera

Media Atmosfera (comprende Stratosfera, Mesosfera e la parte bassa della Termosfera)

Una ulteriore suddivisione, questa, dovuta alla complessa attività fotochimica e chimica con connessi effetti di riscaldamento (Ozonosfera).

Alta Atmosfera (comprende Termosfera con Ionosfera, Esosfera con Eliosfera, Protonosfera, Magnetosfera)

Sopra i 100 km, non è uniforme, i gas sono estremamente rarefatti e stratificati a seconda della loro densità.

  • TERMOSFERA (la temperatura sale da paura, ma è “cinetica”):
    diventano preponderanti processi particolari che riscaldano nuovamente la poca aria presente, si riflettono le onde radio, si formano le famose Aurore. Nella parte più alta di questo strato orbitano numerosi satelliti e la Base Spaziale Internazionale ISS (400 km)
  • >>>> IONOSFERA (atmosfera elettrica):
    occupa parte dell’alta Mesosfera e poi tutta la Termosfera fino all’Esosfera;, qui l’aria è molto esposta ai raggi cosmici, alle particelle del vento solare e ai raggi UV e X del Sole, le particelle hanno carica elettrica
distanze e dimensioni non in scala
  • ESOSFERA (atmosfera estremamente rarefatta che sfuma nello spazio):
    oltre i 500 km di quota per un’estensione di circa 30.000 km (!), le particelle di gas sono talmente veloci da sfuggire al campo gravitazionale terrestre. I gas Idrogeno ed Elio, presenti in percentuali estremamente basse, sono stratificati a seconda della densità.
  • >>>> Eliosfera: prevale l’Elio e Idrogeno (500-1500 km)
  • >>>> Protonosfera: prevalgono Ioni Idrogeno H+ oltre i 1500 km (protoni a cui è stato strappato l’unico elettrone)
    L’esosfera arriva a comprendere parte delle “Fasce di Van Allen”, che costituiscono la Magnetosfera o campo magnetico terrestre.
  • MAGNETOSFERA (il prezioso imponente muro invisibile e impalpabile):
    il campo magnetico terrestre ha al suo interno le Fasce di Van Allen, che si estendono in due fasce, una più interna a 3.000 km e l’altra più esterna tra 10.000 e 65.000 km, questo però accade dal lato illuminato dal Sole.
distanze e dimensioni non in scala

Dall’altro lato, dove c’è la cosiddetta “coda magnetica o magnetotail” (altra sede del fenomeno della “riconnessone magnetica”) e dove il campo magnetico si ricongiunge a forma di goccia…

… tali linee di campo magnetico vengono in realtà stirate dal vento solare incessante e dalle ondate di materiale delle tempeste solari, fino a circa 300.000 km (considera per confronto che il nostro satellite, la Luna, orbita attorno a noi ad una distanza media di 384.000 km).

In questa infografica la rappresentazione delle dimensioni di Esosfera e campo magnetico (Van Allen Belts) è piuttosto eloquente

Questa è un’altra sfera fondamentale per la vita sulla Terra, perché ci protegge da un’eccessiva concentrazione di pericolosi e letali raggi cosmici e particelle solari.

La Carta d’Identità è ora pronta: valida in tutte le versioni!

Ecco, in conclusione, una rassegna di riassunti schematici abbastanza semplici, che contengono altre informazioni utili attraverso disegni e immagini.
Gli schemi sono di 6 tipi diversi, sei diverse variazioni a disposizione per farsi un quadro generale, tolte alcune differenze. La prima immagine è generale ed è seguita dalle zoomate sui singoli strati.

Nei successivi post 2/4 bassa atmosfera e 3/4 alta atmosfera troverai le descrizioni degli Strati, mentre nel 4/4 Viaggio attraverso l’atmosfera tutte le curiosità su fenomeni naturali e ingegno umano.

Suggerimento:
questo post può servirti come riferimento costante, aperto in un’altra pagina, ogni volta che ne hai bisogno. Basta che torni qui per rinfrescare in quale Strato il fenomeno naturale o l’oggetto frutto dell’ingegno umano che ti interessa, avviene.

1^ serie: Generale

I primi 4 strati, Troposfera, Stratosfera, Mesosfera e Termosfera fino alla linea di Karman, circa 100 km di altitudine

Gli strati più esterni, Termosfera ed Esosfera

Ora le serie più ricche in dettagli. Come noterai ci sono tante cose da dire sulle proprietà di ogni strato, sui fenomeni che avvengono in ciascuno di essi, sul tipo di velivolo che troviamo, sulle temperature e sulla pressione.

2^ serie: Generale

Ora zoom su ogni strato, a partire dal basso.

1° strato, Troposfera

2° e 3° strato, Stratosfera e Mesosfera

4° strato, Termosfera

Infine 5° strato, Esosfera

3^ serie: Generale

La stessa serie di prima, questa volta invertita con sfondo nero.

Ora zoom dal 1° strato, la Troposfera

2° e 3° strato, Stratosfera e Mesosfera

4° strato, Termosfera

5° strato, Esosfera

4^ serie: Generale

1° strato, Troposfera

2° strato, Stratosfera

3° strato, Mesosfera

4° strato, Termosfera

5° strato, Esosfera

5^ serie: Generale

1° strato, Troposfera

2° strato, Stratosfera

3° strato, Mesosfera

4° strato, Termosfera

5° strato, Esosfera

Per finire, l’ultima serie che ti voglio proporre.

6^ serie: Generale

1° strato, Troposfera

2° strato, Stratosfera

3°, 4° e 5° strato, Mesosfera, Termosfera ed Esosfera

Per tua comodità riepilogo i link ai post:

  • 2/4 bassa e media atmosfera (Troposfera, Stratosfera-Ozonosfera, Mesosfera)
  • 3/4 alta atmosfera e Magnetosfera (Termosfera-Ionosfera, Esosfera-Magnetosfera)
  • 4/4 Viaggio attraverso l’atmosfera: fenomeni naturali e ingegno umano

Grazie per aver resistito fino in fondo, mi auguro che sia stato interessante, non perderti i prossimi tre della serie. Arrivederci a presto!

Link utili e collaborazioni:
foto di Maurizio Cabibbo, Astroinfinity
foto Troposfera/Stratosfera di Luis Olalla
– foto Via Lattea dalla Namibia di Tommaso Rubechi
– immagine dello spettro del Sole, Gruppo Astrofili Galileo Galilei GrAG

Felix Baumgartner che compie un nuovo record nel 2012 (39 km)
– Skydive Greece – la più antica Accademia di caduta libera in Grecia (1988)
– lezione sull’aria della Professoressa Lucia Gatta
foto di Valentina Albinanti, www.tornadoseeker.com
video fulmine Mahal Stikut
– foto Aurora di Maciej Winiarczyk
– foto astronaut Terry Virts
– immagine onde elettromagnetiche prof. Vittorio degli Esposti – Alma Mater Studiorum – Facoltà Ingegneria Bologna
Centro Nazionale delle Ricerche – Mostra “L’Artico: Viaggio interattivo al Polo Nord”

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