Università degli studi di Trento Corso di Laurea in Fisica Prof. Dino Zardi Gruppo di fisica dell’atmosfera Fisica dell’atmosfera 2.Origine e composizione dell’atmosfera terrestre 1 Composizione dell’atmosfera terrestre (fino a una quota di circa 100 km) * Componenti soggetti a significativa variabilità spazio-temporale 3 Osservazione Rispetto al Sole, l’atmosfera contiene quantità molto modeste di gas nobili. • 1a ipotesi: la Terra si è formata attraverso un processo che non coinvolse gas (ad es. per agglomerazione di particelle solide) • 2a ipotesi: le componenti gassose dell’atmosfera primitiva si sono rapidamente dileguate E’ comunque molto probabile che la Terra non avesse inizialmente atmosfera all’epoca della sua formazione (~ 4.5 109 anni fa). ⇓ L’atmosfera primordiale si è formata per progressiva espulsione di sostanze volatili dal sottosuolo, principalmente nel corso delle eruzioni vulcaniche. 4 2 Le eruzioni vulcaniche I gas che normalmente vengono emessi sono: • 85 % Vapore acqueo (H2O) • 10 % Biossido di carbonio (CO2) • 5 % Azoto (N2), zolfo (S), biossido di zolfo (SO2), solfuro d’idrogeno (H2S) Manca ossigeno (O2) libero ! Per comprendere lo stato attuale dell’atmosfera occorre studiarne l’evoluzione come componente di un sistema che comprende anche • Idrosfera + Criosfera, • Litosfera, • Biosfera 5 Le componenti del sistema clima ? Componenti (in grassetto), processi e interazioni (frecce), aspetti suscettibili di cambiamenti (frecce in grassetto) (Fonte: Panel Intergovernativo sui Cambiamenti Climatici (IPCC), “Climate Change 2001”. 3 Distribuzione dell’idrosfera terrestre 7 L’atmosfera può contenere solo una piccola parte dell’acqua che viene emessa dalle eruzioni: NUBI → PRECIPITAZIONI → MASSE D’ACQUA Tuttavia se si prende come stima del vapore acqueo emesso dai vulcani la somma delle emissioni rilevabili nell’ultimo secolo, la massa dell’idrosfera risulta di due ordini di grandezza inferiore rispetto al valore atteso. Possibili spiegazioni: 1. Perdite sul fondo degli oceani, in corrispondenza delle faglie, 2. Fotodissociazione: 2H2O [ UV]→ 2H2↑ + O2↑ Radiazione ultravioletta (UV): 15 nm < λ < 400 nm Radiazione visibile: 400 nm < λ < 800 nm OSSERVAZIONE: il confronto con i pianeti prossimi: Venere e Marte. 8 4 Origine dell’ossigeno atmosferico 1. Fotodissociazione: 2H2O [ UV]→ 2H2↑ + O2↑ 2. Fotosintesi: H2O + CO2[ Visibile]→ {CH2O} + O2↑ L’efficacia della 1. è materia controversa: dipende (a) dalla competizione con altre reazioni che assorbono radiazione ultravioletta, (b) dalla rapidità con cui vengono rimossi i prodotti (in particolare H2) La 2. è legata a processi biologici in organismi vegetali. CICLO VIRTUOSO: 1. Sviluppo di organismi che realizzano fotosintesi (ca. 2÷3 109 anni fa) → arricchimento di ossigeno; 2. Sviluppo di ozono: 3O2 [ UV]→ 2O3↑ e formazione dell’ozonosfera; 3. Riduzione della componente UV nella radiazione al suolo; 4. Emersione e proliferazione delle forme vegetali → maggiore produzione O2 . 9 Nell’atmosfera è contenuto attualmente circa il 10% del quantitativo netto di ossigeno prodotto dai vegetali in tutta la storia del pianeta. La maggior parte dell’ossigeno prodotto si è fissato in ossidi (ad es. Fe2O3) e composti carbonati (CaCO3, MgCO3) nella crosta terrestre. In questi ultimi è anche concentrata la maggior parte del biossido di carbonio emesso dai vulcani. I carbonati si formano mediante reazioni di scambio ionico che si realizzano in certi organismi marini: tra questi i più importanti sono i foraminiferi unicellulari. Il biossido di carbonio disciolto forma una soluzione debole di acido carbonico: H2O + CO2 → H2CO3 Segue una serie di reazioni il cui risultato netto è: H2CO3 + Ca++ → CaCO3 + 2H+ 10 5 Il carbonato di calcio entra nei gusci di alcuni animali. Pare che i foraminiferi ed altri animali, che producono carbonati, svolgano un ruolo importante nella stabilizzazione dell’ossigeno in atmosfera, la cui concentrazione si è mantenuta stabile per milioni di anni. 11 Distribuzione del carbonio in prossimità della crosta terrestre (Fonte: P. K. Weyl, “Oceanography”, John Wiley and Sons, New York, 1970) 12 6 Distribuzione del carbonio in prossimità della crosta terrestre La respirazione o la decomposizione di materiale organico ossidano di nuovo il carbonio. Su qualche decina di migliaia di molecole di carbonio “fotosintetizzate”, una sfugge alla ri-ossidazione venendo “sepolta“ ovvero fossilizzata. La maggior parte del carbonio non ossidato sulla terra è contenuta negli scisti, mentre una quantità molto minore è conservata (in forma più concentrata) nei combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturali). Attualmente si consuma in un anno quanto la fotosintesi ha prodotto in circa un migliaio di anni! 13 Processi lenti e veloci nel ciclo del carbonio Insegnamento di Fisica dell’Atmosfera 7 Vi sono evidenze che mostrano una tendenza all’aumento del biossido di carbonio in atmosfera CO2 concentrations (monthly averages) measured by continuous analysers over the period 1970 to 2005 from Mauna Loa, Hawaii (19°N, black) and Baring Head, New Zealand (41°S, blue). Due to the larger amount of terrestrial biosphere in the NH, seasonal cycles in CO2 are larger there than in the SH. In the lower right of the panel, atmospheric oxygen (O2) measurements from flask samples are shown from Alert, Canada (82°N, pink) and Cape Grim, Australia (41°S, cyan). The O2 concentration is measured as ‘per meg’ deviations in the O2/N2 ratio from an arbitrary reference, analogous to the ‘per mil’ unit typically used in stable isotope work, but where the ratio is multiplied by 106 instead of 103 because much smaller changes are measured. 8 Altri componenti dell’atmosfera • Azoto (N2) Mediante meccanismi analoghi a quelli visti in precedenza il 20% circa dell’azoto emesso dai vulcani è entrato a far parte della crosta terrestre. Specie chimicamente inerte, poco solubile in acqua ( 1/70 rispetto al biossido di carbonio) è rimasto in buona parte in atmosfera, dove è la specie dominante. Componente importante degli amminoacidi → proteine. • Zolfo (S) Lo zolfo e i suoi composti emessi dai vulcani (H2S, SO2) vengono rapidamente ossidati per dare SO3 che si scioglie nelle gocce di pioggia e forma soluzioni diluite di acido solforico (H2SO4). 17 • Ozono (O3) E’ una forma allotropica dell’ossigeno. Nelle condizioni di temperatura e pressione che si riscontrano mediamente al suolo è instabile e decade in O3 → O2 + O Ha una vita media relativamente più lunga in uno strato compreso fra ca. 20 e 25 km di quota (ozonosfera). Valor medio zonale nel periodo Gennaio-Febbraio 1979 del rapporto di mescolamento di ozono (isolinee) e densità (ombreggiatura: i livelli corrispondono al 20, 40 e 60% del massimo) in funzione della latitudine e della pressione atmosferica (ossia della quota). Dati ottenuti dal Limb Infrared Monitor della Stratosfera (LIMS) a bordo ella 18 sonda Nimbus-7. 9 Il contenuto di ozono viene spesso quantificato in Unità Dobson: http://www.atm.ch.cam.ac.uk/tour/dobson.html) 19 Distribuzione del valor medio zonale della quantità colonnare di ozono in unità Dobson in funzione della latitudine e del mese, sulla base di serie di misure antecedenti il 1980 (London, 1980). 20 10 • Vapore acqueo (H2O) E’ la specie aeriforme che presenta la più elevata variabilità nello spazio e nel tempo. La figura mostra la distribuzione globale dell’abbondanza colonnare di vapore acqueo o vapore precipitabile totale rilevato il 4 Marzo 1984 dalla Sonda TIROS 21 Distribuzione spaziale media del vapore acqueo 22 11