L’Atmosfera
L’atmosfera è l’involucro gassoso che circonda il globo terrestre e che si estende, rarefacendosi
progressivamente, fino ad un'altezza di centinaia di chilometri. L’atmosfera è formata da diversi strati
concentrici che sono caratterizzati da diversi parametri: composizione gassosa, andamento della
temperatura con la quota, stato di ionizzazione, contenuto di ozono, ecc.
La maggior parte degli inquinanti atmosferici emessi rimane confinata nella troposfera, alcuni
concentrati vicino alla superficie terrestre, altri come ozono (O3), anidride carbonica (CO2), metano
(CH4), sono distribuiti in modo più uniforme.
Dato che l’involucro aeriforme che circonda il nostro pianeta, per quanto tenue, ha un suo peso per effetto della
stessa forza di gravità terrestre che lo trattiene, esso esercita una pressione1. Tale pressione dipende dunque da
quanta aria sovrasta il punto in cui si effettua la misura. Ciò che si può fare allora è misurare l’andamento della
pressione atmosferica con la quota scoprendo così che più si sale e meno aria avremo sulla nostra testa e quindi
misureremo via via una pressione minore
A livello del mare su ogni cm2 di superficie “gravita” poco più di 1 kg di aria. Noi non ci facciamo caso in quanto in un
fluido nel quale la pressione è causata dal suo stesso peso (e l’aria è un fluido che si trova proprio in tali condizioni) la
stessa pressione, a parità di quota, viene esercitata in ogni punto da ogni direzione, quindi non avvertiamo nessun
“peso”
provenire
da
una
direzione
particolare
(come,
ad
esempio,
da
sopra
la
testa).2
A questo punto, fatta “100” la pressione atmosferica al livello “0” del mare, si scopre che già a 5600 m di altezza la
pressione diventa la metà (il 50%), scende al 10% intorno ai 16200 m e si riduce a solo l’1% a 31200 m. A 100 km di
quota siamo allo 0.00003% della pressione atmosferica sul livello del mare. Una pompa a vuoto non riuscirebbe a fare
di meglio! Come si vede, stabilire dove finisce l’atmosfera è un fatto soggettivo, del tutto arbitrario. Quindi dipende da
ciò che usiamo, da quale fenomeno utilizziamo per definirne la struttura.
A tale scopo è importante la definizione del profilo termico verticale, cioè l’andamento della temperatura (media)
con la quota. È in base a questo profilo di temperatura che l’atmosfera è suddivisa in vari strati, ottenendo:
la Troposfera (fino a 15 km), da un termine greco che vuol dire << involucro dove l’aria si mescola >>. E’ In questa
parte dell’atmosfera che avvengono i principali fenomeni meteorologici e le principali “turbolenze”; qui la temperatura
diminuisce con la quota in media di 6.5°C ogni 1000 m, ma l’andamento reale, in certe zone e in particolari situazioni
meteorologiche, può essere profondamente diverso (addirittura la temperatura può anche aumentare con la quota,
come nelle “inversioni termiche”); la temperatura in generale diminuisce con la quota soprattutto perché l’aria non
viene quasi per niente riscaldata direttamente dai raggi solari. L’atmosfera si riscalda essenzialmente dal basso, per
effetto della radiazione solare assorbita e poi riemessa sottoforma di calore dalla superficie terrestre. L’atmosfera
però, nello stesso tempo, perde calore verso lo spazio, così se ci allontaniamo dalla fonte di calore (il suolo)
l’equilibrio tra calore ricevuto e calore perso si raggiunge ad una temperatura più bassa.
la Stratosfera (fino a 30-50 km); la “linea ideale” di demarcazione tra la troposfera e la stratosfera viene
chiamata Tropopausa. Inizia così la stratosfera, dove la temperatura, inizialmente costante per circa 20 km, torna ad
aumentare fino ai 50 km, presso la Stratopausa. Il principale responsabile del riscaldamento dell’aria della
stratosfera (il cui nome si riferisce al fatto che, essendovi un gradiente termico “positivo” sono ostacolati i movimenti
verticali dell’aria, cosicché essa tende a “stratificarsi”) è l’ozono il quale, presente in massima parte proprio in questa
zona assorbe, come sappiamo, la radiazione ultravioletta, restituendola sottoforma di energia termica.
la Mesosfera (fino a 80-90 km); qui la temperatura torna a diminuire, raggiungendo i -100°C in corrispondenza della
Mesopausa.
la Termosfera (fino a 500 km); come abbiamo detto, qui l’atmosfera è estremamente rarefatta, e diventano
preponderanti processi particolari che riscaldano nuovamente la poca aria presente. In particolare le radiazioni solari
di frequenza elevata (onde molto corte) vengono assorbite dagli atomi di azoto e ossigeno, aumentandone la
temperatura, di giorno, anche a più di 1000°C.3
I primi tre strati descritti sopra costituiscono, nell’insieme, quella parte di atmosfera che va sotto il nome
di Omosfera, in quanto la composizione chimica rimane pressocchè la stessa (pur nelle numerose varianti di cui si è
parlato).
Per
tutta
la
parte
rimanente
si
parla,
invece,
di Eterosfera.
Arrivati a questo punto però, si comprende che non ha più molto senso continuare ad usare la temperatura come
caratteristica principale per classificare i vari strati atmosferici. Diventano preponderanti (o più significativi) altri
fenomeni fisici come quelli elettrici e magnetici. Perciò, una volta superata la mesopausa possiamo anche
distinguere:
la Ionosfera (fra i 60÷90 e i 500÷1000 km); qui l’aria è estremamente rarefatta, trovandosi così molto esposta ai
raggi cosmici, alle particelle del vento solare e ai raggi ultravioletti e X del Sole. Ciò provoca la ionizzazione degli
atomi che compongono l’atmosfera e il loro permanere a lungo nello stato ionizzato, proprio per la scarsa probabilità
che ha un elettrone o un protone di trovare altre particelle per ricombinarsi. Gli ioni, una volta formatisi, tendono a
concentrarsi in quattro fasce principali chiamate D (60÷90 km), E (90÷140 km), F1 (140÷200 km), F2 (250÷500 km).
Il campo elettrico associato agli ioni che, lo ricordiamo, sono particelle cariche elettricamente, disturba la
propagazione delle onde radio, provocandone la riflessione. Questo fenomeno è ampiamente sfruttato nelle
trasmissioni radio a Modulazione di Ampiezza (AM): le onde elettromagnetiche trasmesse da un’emittente sono
riflesse dalla ionosfera (in particolare dallo strato D) rimbalzando al suolo per poi venir nuovamente riflesse dalla
ionosfera e così via. Tuttavia, proprio perché la formazione degli ioni è dovuta in gran parte al Sole, di notte gli ioni si
riducono notevolmente (in special modo gli elettroni della fascia D ed E hanno tempo di ricombinarsi con i protoni e
quindi l’equilibrio dinamico si “sposta” verso una sensibile diminuzione della concentrazione complessiva di ioni,
cancellando l’esistenza di questi strati): questo da un lato rende le trasmissioni meno disturbate, ma anche meno
efficienti per l’assenza dello strato D, più vicino. Di notte però è possibile captare meglio stazioni radio lontane anche
migliaia di km, grazie alla riflessione degli strati F1 ed F2.
la Magnetosfera; il vento solare, in quanto composto da cariche elettriche in movimento, genera un campo
magnetico. Ma anche la Terra genera un cospicuo campo magnetico: essa può infatti essere vista come un enorme
magnete lungo 13000 km avente un asse leggermente inclinato rispetto a quello di rotazione (il Polo Nord e il Polo
Sud magnetici, infatti, non coincidono con quelli geografici. Basti pensare che oggi il Polo Nord magnetico si trova a
70° 30’ N di latitudine e 97° W di longitudine, presso le Isole Regina Elisabetta; quello Sud si trova in Antartide, nella
Terra di Adelia, a 73° 30’ lat. S e 146° long. E). L’angolo formato da tali due assi (che oggi ammonta a 11°) si
chiama declinazione magnetica. Per la navigazione e l’orientamento tramite bussola si è sempre dovuto tenere in
conto di tale declinazione (che fra l’altro non è costante nel tempo a causa dell’incostanza del campo magnetico
terrestre), che provoca, in misura più o meno maggiore secondo la localizzazione geografica, uno scostamento tra il
Nord indicato dalla bussola e la direzione effettiva del Nord geografico. Il campo magnetico terrestre sembra essere
provocato da continue correnti elettriche presenti in particolare nel mantello, dove le altissime temperature fino a
3000°C (dovute alla forte pressione) rendono la roccia fusa e le sue componenti metalliche (come ferro e nichel)
perdono gli elettroni che sono così liberi di muoversi, specialmente da Ovest verso Est, mediante il magma trascinato
dalla rotazione terrestre. L’intensità del campo magnetico terrestre decresce con il cubo della distanza e intorno ai
60000÷80000 km eguaglia quello del vento solare. Dunque è qui che si considera il limite della magnetosfera
(magnetopausa). Ma il campo magnetico del vento solare interagisce, distorcendole, con le linee di forza di quello
terrestre. Inoltre le particelle cosmiche e quello dello stesso vento solare, essendo dotate di carica elettrica vengono
intrappolate dal campo magnetico terrestre e tendono ad addensarsi verso i polo magnetici (dove più concentrate
sono le linee di forza, in quanto in un magnete è verso i poli che linee di forza stesse convergono). L’eccitazione delle
particelle coinvolte in questa “lotta” provoca fenomeni vari, anche di tipo luminoso come le aurore boreali (a
100÷1000 km di altezza), visibili infatti maggiormente verso le alte latitudini e quando l’attività solare si fa più
intensa, oppure il disturbo di alcune attività umane come le trasmissioni radio, l’uso di radar, delle linee elettriche,
l’uso dei satelliti, l’incolumità degli astronauti e così via. Come avrete capito il campo magnetico terrestre è
fondamentale per la vita sulla Terra perché ci protegge da un’eccessiva concentrazione dei dannosi raggi cosmici e
particelle solari.
Note:
(1) La pressione, ricordiamo, è definita come la forza (in questo caso il peso dell’aria) esercitata su una superficie: P
= F/S.
(2) Questo non significa che il nostro corpo non è soggetto ad alcuna pressione. Se aumentassimo la pressione di
molto, come ad esempio può essere quella presente negli abissi marini o sulla superficie del pianeta Venere,
verremmo “avvolti” e stritolati come in una morsa!
(3) E qui si viene a un punto fondamentale, in quanto occorre spiegare il concetto di temperatura. Essa è definita
come << la misura dell’energia cinetica delle particelle >>. In pratica, in un corpo più caldo, le particelle che lo
compongono si “muovono”, “vibrano” più rapidamente. Quindi dire che l’aria nella termosfera si trova a 1000°C
significa dire che quelle poche particelle presenti “vibrano” con un’energia cinetica (cioè, appunto, di movimento) che
corrisponde a una temperatura di 1000°C. Tuttavia, per l’estrema rarefazione dell’aria stessa, se ci trovassimo nella
termosfera noi verremmo “toccati” da ben poche particelle, cosicché non ce ne accorgeremmo neppure, essendo
trascurabile ed insignificante l’energia termica che ci verrebbe trasferita.
