Cap. 7 L’atmosfera 7.1 Definizione La parola atmosfera (dal greco ἄθμος - àthmos - "vapore" e σφαίρα - sphàira - "sfera") designa l'insieme dei gas che circondano un corpo celeste, le cui molecole sono trattenute dalla forza di gravità del corpo stesso. (wikipedia) 7.2 Composizione atmosferica L’atmosfera della terra è un miscuglio di gas, vi predominano azoto (78%) e ossigeno (21%). Il rimanente è costituito quasi interamente da argon 0,93% perciò poco spazio per gli altri fra cui anidride carbonica e vapore acqueo. Nell’atmosfera troviamo anche una parte solida: il pulviscolo atmosferico che è il responsabile dell’arrossamento del sole al tramonto. 7.3 Dimensioni dell’atmosfera È molto difficile trovare un limite superiore all’atmosfera terrestre, in genere il limite è fissato nel punto in cui atmosfera terrestre e spazio interplanetario hanno la stessa densità; questo già ci fa capire che la densità dell’atmosfera terrestre decresce dal suolo andando verso l’alto. Il limite di cui abbiamo parlato si trova a circa 3000 km di altezza. 7.4 La stratificazione atmosferica L’atmosfera oltre a diminuire di densità andando verso l’alto presenta diverse zone che hanno comportamento diverso; questo fa si che l’atmosfera venga suddivisa in varie zone 1. Troposfera 2. Stratosfera 3. Mesosfera 4. Termosfera 5. Ionosfera 6. Esosfera 7.4.1 Troposfera (fig. 1) Il nome deriva dal greco tropos (movimento); è la parte più bassa dell’atmosfera terrestre, che ha uno spessore di circa 8 km in corrispondenza dei poli e 18 km in corrispondenza dell’equatore. La temperatura diminuisce con l’innalzarsi della quota in media di 6 °C per ogni chilometro (fig. 2). È sede di moti turbolenti che ne rendono pressoché uniforme la composizione. La troposfera è zona dell’atmosfera che fa parte della biosfera ed è la sede delle perturbazioni atmosferiche. Ha una temperatura media di 15° al contatto con la superficie terrestre e – 55° a livello della tropopausa. 7.4.1.1 Tropopausa Strato dell’atmosfera che separa la troposfera dalla stratosfera; ha uno spessore di circa 5 km ed in asso la temperatura rimane costante intorno ai – 55° 7.4.2. Stratosfera Si estende fino ad un’altezza di 50 km. La temperatura aumenta fino a superare i 0° nella sua parte più alta; questo gradiente termico positivo è causato dalla dissociazione delle molecole di ozono che vi sono presenti quando vengono colpite dai raggi UV (fig. 3). Queste molecole perciò formano una struttura, detta ozonosfera, che blocca i raggi ultravioletti del Sole molto pericolosi per gli esseri viventi. Poco sopra la tropopausa sono presenti le correnti a getto venti le cui velocità superano i 90 km/h (fig. 4) 7.4.2.1 Stratopausa Zona dell’ambiente atmosferico, a circa 50 km di quota, che separa la Fig. 1 Fig.2 Fig.3 Fig.4 Fig. 5 stratosfera dalla sovrastante mesosfera: è caratterizzata da temperatura di 0 °C, pressione media di 2,73 millibar e densità prossima a 0 (fonte vocabolario treccani) 7.4.3 Mesosfera La mesosfera si estende fino agli 85 km di altezza; è sede di una diminuzione di temperatura che scende fino a – 80° nella sua parte più alta (fig. 6). Vi si osservano due fenomeni particolari: 1. le nubi nottilucenti costituite da cristalli di ghiaccio e polveri (fig. 5) 2. le meteore dovute al pulviscolo interplanetario che precipita sul pianeta (fig. 7) 7.4.3.1 Mesopausa Zona di separazione, a circa 85 km di quota, tra la mesosfera e la termosfera; vi si riscontra il minimo della temperatura atmosferica (-83 °C). (fonte vocabolario Treccani). 7.4.5 Ionosfera Il suo nome deriva dal fatto che le radiazioni cosmiche sono così intense da provocare la ionizzazione dei suoi componenti. Si estende fra 50 e 1000 km di altezza per chi si sovrappone parzialmente alle altre zone (mesosfera e termosfera) (fig. 9). Ha la proprietà di riflettere le onde radio perciò rende possibile le comunicazioni fra regioni del globo che altrimenti sarebbero irraggiungibili (fig. 8). Vi si manifestano le aurore polari dovute all’interazione fra vento solare e i gas della ionosfera che producono dei bellissimi effetti cromatici (Fig. 10). 7.4.6 Termosfera La Termosfera è penultima zona dell’atmosfera stessa, nella quale la temperatura cresce con la quota raggiungendo circa 1500 °C all’altezza di 400-500 km (termopausa) per poi mantenersi pressoché costante nella zona superiore (esosfera) (fonte vocabolario Treccani) Queste temperature si riferiscono al moto delle particelle che la compongono, la densità è cosi bassa che un comune termometro non registrerebbe assolutamente nulla (fig. 11). 7.4.6.1 Termopausa È la zona, a circa 500 km di quota, che separa la termosfera dalla sovrastante esosfera 7.4.7 Esosfera Si estende fino ai confini dell’ spazio interplanetario; le molecole hanno temperature cinetiche dell’ordine dei 2000° C. Termina quando il numero di particelle che entrano nell’atmosfera e quelle che ne escono è costante. 7.5 Peso e pressione Si definisce peso di un oggetto la forza con cui questo oggetto di massa m viene attratto dalla Terra. La pressione mette in relazione il peso di un oggetto con la superficie fu cui questo agisce. Si definisce pressione il rapporto (:) fra il peso di un corpo e la superficie su cui agisce (fig. 12 e 13) 7.6 La pressione atmosferica Se metto il palmo della mia mano aperto ed in orizzontale questo intercetta una colonna d’aria che va dalla mia mano fino ai confini dell’esosfera; questa colonna ha un peso e preme sulla superficie della mia mano perciò eserciterà una pressione. Chiamo questa pressione “Pressione Atmosferica” ed è la pressione esercitata sull’unità di superficie orizzontale al suolo o Fig. 6 Fig.7 Fig. 8 Fig. 9 Fig. 10 Fig.11 nell’atmosfera dalla colonna di aria sovrastante. La pressione atmosferica normale è quella che si ha al livello del mare, a 0° C e alla latitudine di 45°: equivale alla pressione esercitata in tali condizioni da una colonna di mercurio alta 760 mm. 7.6.1 Peso sull’unghia del pollice Supponiamo che il mio pollice occupi la superficie di 1 cm 2; se su questa superficie agisce un peso pari all’altezza di una colonna di mercurio 760 mm = 76 cm, posso immaginare sull’unghia del mio pollice un parallelepipedo le cui dimensioni sono 1cm x 1cm x 76 cm (fig. 14). Il suo volume sarà 1 cm x 1 cm x 76cm = 76 cm 3 Un cm3 di mercurio pesa 13,6 g perciò il peso di questo parallelepipedo sarà: 76 x 13,6 g = 1033 g = 1,033 kg. 7.6.2 Esperienza di Torricelli (fig. 15) Per misurare la pressione Evangelista Torricelli prese un recipiente contenente mercurio, poi riempì un tubo contenente anch’esso del mercurio ed infine prese questo tubo, lo tappo con un dito, lo capovolse e lo immerse nel recipiente contenete mercurio. Fatto questo tolse il dito ed il mercurio fluì nella bacinella tuttavia ad un certo punto il processo si arrestò. L’unica cosa che poteva arrestare il flusso era la pressione atmosferica, cioè la pressione esercitata dalla colonna di mercurio rimasta nel tubo era uguale a quella atmosferica quindi ne era una sua misura. 7.7 Unità di misura dell’atmosfera 7.7.1 Unità di misura storica Avevamo visto come 76 cm3 di mercurio pesavano 1033 g. Definiamo atmosfera la pressione esercitata da questa colonna di mercurio sulla superficie di 1 cm2. Storicamente era anche utilizzato il torr cosi definito: si definisce torr la pressione esercitata da 1 mm si mercurio. 7.7.2 Unita di misura ne S.I Nel sistema internazionale si usa il Pascal che è la pressione esercitata dalla forza di un N che agisce su una superficie di 1 m2 (fig. 16) 1 atm = 101 263 Pa Il pascal è un’unità di misura molto piccola e questo ha favorito l’uso di altre unità di misura. 7.7.3 Altre unità di misura Il bar è definito come la pressione esercitata dalla forza di dieci Newto su una superficie di un centimetro quadrato (fig. 17). Questo fa si che esso sia 100 000 volte più grande del Pascal. Ugualmente utilizzato è il millibar 1 bar = 1000 mb 1 atm = 101 263 Pa = 1,013 bar = 1013 mb 7.7.4 Perché non ci stanchiamo? Facciamo un piccolo calcolo, il palmo della mia mano è circa 1 dm2 = 100 cm2 Su di essa c’è un peso di 1033 g x 100 circa 103 kg. Dovrei stancarmi (anzi non dovrei assolutamente essere in grado di sostenerne il peso) ma non succede perché? Come abbiamo visto nell’esperimento di Torricelli il liquido non scende perché la stessa spinta c’è alla base della colonna (seconda media). Perché non ci schiacciamo? Perché i nostri fluidi si trovano alla stessa pressione e fanno equilibrio alla pressione esterna (fig. 18). 7..8 Fattori che influenzano la pressione I fattori che influenzano la pressione atmosferica sono due: altitudine, Fig. 12 Fig. 13 P2 > P1 perché la superficie di appoggio s2 è minore di s2 Fig. 14 Fig. 15 Fig.16 Fig.17 umidità e temperatura. Con l’altitudine abbiamo due cause che portano ad una diminuzione della pressione: 1. L’altezza della colonna d’aria sovrastante diminuisce 2. Gli strati più elevati dell’atmosfera hanno una densità minore L’umidità atmosferica è dovuta alla presenza di vapore acqueo molecole che influisce sul peso complessivo dell’aria perché le molecole di vapore acqueo hanno un peso minore di quelle degli altri gas atmosferici perciò: l’aria umida ha una pressione minore di quella secca (che ha una densità maggiore). Abbiamo visto che un aumento di temperatura causa la dilatazione dei corpi, se diminuisce si ha il fenomeno contrario perciò si verifica che, quando un’aria si riscalda, si espande e la sua pressione diminuisce; quando l’aria si raffredda, si contrae e la sua pressione aumenta. 7.8.1 Umidità dell’aria L’umidità dell’aria è data dalla quantità di vapore acqueo in essa presente; questa quantità può essere espressa come umidità assoluta, cioè come Fig. 18 quantità di vapore acqueo presente nell’unità di volume oppure come umidità relativa, cioè la percentuale di umidità presente rispetto al punto di rugiada. La temperatura ha un doppio effetto sulla pressione: se aumenta causa sia una dilatazione dei gas sia un aumenta della quantità di acqua che essa può contenere prima di arrivare al punto di rugiada (si intende la temperatura alla quale, a pressione costante, l'aria diventa satura di vapore acqueo). Fig. 19 7.9 Bassa e Alta pressione La pressione sulla Terra non è costane perché le condizioni di temperatura e umidità non sono costanti sul pianeta, Si ha una zone di Bassa Pressione ogni volta che in una data zona c’è una pressione più bassa di quella delle aree circostanti. Si ha una zona di Alta Pressione ogni volta che la pressione è più alta di Fig. 20 quella delle zone circostanti (fig. 19). 7.10 Vento Se ci sono degli squilibri di pressione questi tendono ad essere annullati dai movimenti d’aria. Per compensare lo squilibrio di pressione si verifica un moto dell’aria dalle zone di alta a quelle di bassa pressione (fig. 20). Diamo a questo movimento orizzontale il nome di vento 7.11 I movimenti dell’aria Se noi osserviamo la figura 21 vediamo come si muove l’aria; nelle zone di Fig. 21 alta pressione abbiamo delle correnti d’aria discendenti; nelle zone di bassa pressione abbiamo dei delle correnti d’aria ascendenti e per completare il ciclo abbiamo delle correnti in quota che vanno dalle zone di bassa alle zone di alta pressione. 7.12 Caratteristiche dei venti Le caratteristiche dei venti sono due: direzione e velocità. La direzione Indica la provenienza del vento ha come riferimento la rosa dei venti (fig. 22) e viene segnalata dagli anemoscopi La velocità viene espressa in metri al secondo e si misura con gli anemometri Fig. 22 (fig. 23) 7.13 La classificazione dei venti I venti si dividono in costanti, periodici e variabili 7.13.1 I venti costanti I venti costanti sono venti che spirano sempre nella stessa direzione e sono: 1. I venti polari che spirano Dai poli verso il Circolo Polare e contribuiscono a formare la Cellula Polare 2. I venti occidentali spirano sempre dai tropici verso le zone temperate e contribuiscono a formare la Cellula di Ferrel 3. Gli alisei che spirano dai tropici verso l’Equatore e contribuiscono a formare la Cellula di Hadley (fig. 24 e 25) 7.13.2 Venti periodici I venti periodici sono venti che invertono il senso in cui spirano nel corso delle stagioni o anche nel corso di una stessa giornata, a seguito di variazioni della pressione atmosferica locale, ne sono esempi i monsoni e le brezze. Fig. 23 I monsoni (fig. 26) sono venti periodici che interessano il Subcontinente Indiano spirano da terra verso mare in inverno (stagione secca) e da mare verso terra in estate (stagione umida). Le brezze cambiano di direzione fra pomeriggio e mattina nelle zone in cui sono presenti significative masse d’acqua. Le brezze si verificano per squilibri termici che si verificano fra il dì e la notte in zone litoranee (mari e grandi laghi). Durante il dì la terra si riscalda più rapidamente del mare (ricordiamoci che l’acqua ha un elevato calore specifico perciò si riscalda e raffredda più lentamente), perciò si ha una zona di bassa pressione verso terra e alta pressione sul mare dove l’aria sovrastante è più fresca perciò i venti spirano Fig.24 da mare verso terra (brezze di mare). Di notte la terra si raffredda più rapidamente del mare, questa volta verso terra abbiamo una zona di alta pressione e sul mare una zona di bassa pressione, le correnti d’aria invertono il movimento precedente e si hanno le brezze di terra (figura sottostante) Fig. 25 7.13.3 Venti variabili (fig. 27) I venti variabili sono venti che non sono sempre presenti in una data zona ma dipendono dalle caratteristiche del tempo atmosferico che si stabilisce in una data zona in un certo periodo. Essi sono: 1. Scirocco, vento caldo che viene da sud –est 2. Bora, vento freddo che viene dai balcani 3. Tramontana, vento freddo che viene da nord 4. Maestrale, vento freddo che viene da nord-ovest Fig. 26 5. Libeccio, vento caldo che proviene da sud-est 6. Grecale, vento caldo che viene da est 7. Fhöhn, vento caldo (per compressione) e secco proveniente da nord che soffia nella Pianura Padana 7.14 le nuvole Le nuvole che generalmente formano sistemi nuvolosi sono una forma visibile di acqua, condensata nell'atmosfera. Possono includere particelle solide o gassose presenti in fumi, vapori o polvere, e anche particelle di acqua e di ghiaccio. Le nuvole si muovono all'interno dell'atmosfera, ad altezze comprese fra 1 e 12 Km. 7.14.1 Nomenclatura delle nuvole Le nubi (fig. 28) vengono suddivise in base all’altezza a cui si formano Distinguiamo: 1. Nuvole alte 2. Nuvole medie 3. Nuvole basse 7.14.2 Nuvole alte (fig. 29) Sono nubi formate per lo più da cristalli di ghiaccio; si trovano dai 5 ai 13 Km di altezza e si dividono in: 1. Cirri: si presentano sotto forma di filamenti bianchi, isolati e sottili, formati da cristalli di ghiaccio (fonte Wikipedia). 2. Cirrocumuli: formano nuvole in strati bianchi e sottili con una struttura che dà loro l'aspetto di pezzi di cotone o increspature senza ombre. Contengono goccioline d'acqua molto fredda. 3. Cirrostrati: formano strati sottili, trasparenti e biancastri formati da cristalli di ghiaccio. Possono coprire totalmente o parzialmente il cielo e possono anche creare una specie di alone intorno al sole. 7.14.3 Nuvole medie (fig. 30) Si dividono in 1. Altocumuli: sono nubi medie che si presentano sotto forma di fiocchi globulari compatti che si estendono su vaste estensioni planari situate ad una altitudine che può variare tra i 3000 ed i 6000 metri. (Wikipedia) 2. Altostrati: sono nubi medie (3-4000 m d'altezza), di colore bianco opaco o traslucido, talvolta tendente all'azzurrognolo. Queste nubi possono essere anche molto spesse, arrivando ad uno sviluppo verticale di 5000 m (Wikipedia). 7.14.4 Nuvole basse (fig. 31) Generalmente contengono acqua ma possono anche essere formate da neve e particelle di ghiaccio. La base di queste nuvole si estende in altezza da vicino alla superficie ai 3 Km. 1. Stratocumuli; sono nubi basse e scure; si presentano come ammassi tondeggianti, di colore grigio. (Wikipedia) 2. Strato: sono nubi molto basse e uniformi a sviluppo orizzontale, di colore variabile dal grigio scuro al quasi bianco. (Wikipedia) 7.14.5 Nubi a sviluppo verticale (fig. 32) Sono nubi che partendo anche da quote basse possono raggiungere altezze notevoli anche di 8 – 10 km, che possono dare fenomeni atmosferici molto intensi. Si dividono in: 1) Cumuli: sono nubi a piccolo o medio sviluppo verticale, che si presenta come una piccola torre o cavolfiore; essa ha base piatta o convessa a Fig. 27 Fig. 28 Cirri Cirrocumuli Fig. 29 Cirrostrati Fig. 30 altocumuli e altostrati Fig. 31 stratocumulo e cumulo Fig. 32 Cumuli e cumulonembi seconda dello sviluppo verticale. (Wikipedia) 2) Cumulonembi: sono nubi ad elevato sviluppo verticale, che vi si presenteranno imponenti sul cielo, a forma di torri, montagne o cupole. La sommità è generalmente bianca e spesso assume una forma a incudine o a carciofo, la base invece è orizzontale e di colore scuro intenso. I cumulonembi sono formati da masse di cumuli scuri e si possono estendere per tutta l'altezza della troposfera, ossia quella parte dell'atmosfera in cui si determina il tempo atmosferico. (nonsoloscuola). 3) Nembostrati: sono nubi a grande sviluppo orizzontale, di colore grigiastro - nero, è la classica nube da maltempo. È simile allo strato ma è più spessa, bassa e origina precipitazioni più consistenti (Wikipedia). (fig. 33) 7.15 Le precipitazioni atmosferiche Si definisce precipitazione la fase del ciclo dell’acqua in cui si ha il passaggio dell’acqua dall’atmosfera al suolo. Possono essere di due tipi; liquide e solide. 7.15,1 Le precipitazioni liquide (fig. 34 e 35) Le precipitazioni liquide avvengono sotto forma di pioggia, si verificano quando la temperatura dell’aria supera i 0°. La dimensione delle gocce presenti nella nube dipende dall’intensità dei sui moti convettivi, più questi sono consistenti maggiori sono le dimensioni delle gocce d’acqua che la nube può contenere in sospensione. Quando le gocce di pioggia sono troppo grandi per essere trattenute dai moti della nube precipitano al suolo sotto forma di pioggia. 7.15.2 Precipitazioni nevose (fig. 36) Le precipitazioni solide sono di due tipi la neve e la grandine. La neve si forma quando tutta la massa d’aria è sotto il punto di congelamento dell’acqua, in questo caso i moti convettivi della nube sono scarsi e l’acqua può cristallizzare formando soffici cristalli di giaccio. Se la temperatura è sotto i + 2° di solito riesce ad arrivare integra al suolo e si ha la nevicata. 7.15.3 Grandine Per la grandine sono necessarie condizioni termiche speciali con nubi che presentano negli strati più bassi temperature superiori agli 0° mentre negli strati alti la temperature deve essere sotto lo zero perciò, questi fenomeni, sono più frequenti in primavera. Le nubi che originano la grandine sono sede di notevoli moti convettivi e il singolo chicco di grandine percorre le celle convettive diverse volte prima di precipitare. Quando va in basso lo strato esterno fonde e raccoglie vapore acqueo ingrandendosi, quando risale, va verso zone fredde e congela. Così ad ogni ciclo il chicco di grandine si ingrandisce. (fig. 37) Quando l’energia della nube è insufficiente per trattenerlo precipita sotto forma di grandine. 7.16 Inquinamento atmosferico (Fig. 38) Qualunque contaminazione dell’aria che respiriamo, sia essa dovuta a fattori naturali o antropogenici, viene definita inquinamento atmosferico, mentre gli agenti che la provocano sono detti inquinanti. (fonte ESA) 7.16.1 Cause dell’inquinamento atmosferico Le cause dell’inquinamento atmosferico sono rappresentate da: I gas di scarico degli autoveicoli contengono molte sostanze nocive: monossido di carbonio, ossidi di azoto, idrocarburi che hanno attività Fig. 33 Fig. 34 Fig. 35 Fig. 36 Fig. 37 Fig. 38 cancerogene. Gli scarichi da riscaldamento, immettono le stesse sostanze insieme a micropolveri e ossidi di zolfo I fumi immessi dalle industrie contengono moltissime sostanze nocive frutto dei residui di lavorazione: acido solfidrico, piombo, ossidi di solfo, benzene, diossina ecc., a seconda del tipo di lavorazione 7.16.2 Il ruolo dell’atmosfera per la vita L’atmosfera svolge molte funzione senza le quali non potrebbe esistere la vita sulla Terra (fig. 39): 1) Ci scherma dai raggi U.V. (ultravioletti) del sole. 2) Grazie all’effetto serra mantiene una temperatura media di 15° contro i – 18 che sono quelli stimati in base alla posizione della terra nel Sistema Solare. 3) Ci protegge dagli asteroidi le cui dimensioni non superano le decine di metri. 7.16.3 Le attività antropiche: L’uomo sta provocando molti danni all’ambiente: 1. Sta immettendo CFC (Cloro Fluoro Carburi) nell’atmosfera che danneggiano la fascia di ozono che ci protegge dai raggi ultravioletti del sole. 2. Immette nell’atmosfera grandi quantità di CO2 che provocano un aumento della temperatura tramite l’effetto serra. 3. Inquina l’aria provocando le piogge acide. 7.16.4 Il buco dell’ozono L’ozono (O3) è un gas che si forma grazie ad una scissione delle molecole di ossigeno (O2) che colpite dalle radiazioni solari si dividono (fig. 40). La fascia di ozono che si trova nella stratosfera è intaccata da dei particolari tipi di gas chiamati CFC. Questi gas vanno a introdursi nel processo di distruzione e riformazione dell’ozono non facendolo quindi ricomporre l’ozono e distruggendo la fascia che ci protegge dai raggi U.V. del Sole e provocando ai Poli il cosiddetto Buco dell’ozono (fig. 41). Per questo molte nazioni si sono riunite a Montreal dove hanno deciso di sospendere l’emissione di questi gas. 7.16.5 Effetto Serra La CO2 (o biossido di carbonio) è la principale componente dei gas che causano il problema dell’effetto serra (fig. 42). Esso è fondamentale per la vita di tutti gli organismi infatti senza l’effetto serra la terra sarebbe molto fredda e non ci sarebbero possibilità di vita per gli organismi, tuttavia un eccesso di questo gas provocherebbe un grosso innalzamento delle temperature con gravi conseguenze climatiche. Per questo motivo molte nazioni si sono ritrovate a Kyoto dove hanno firmato un protocollo con cui si impegneranno a diminuire le emissioni di CO2 7.16.6 Piogge acide (fig. 44) Le piogge acide sono provocate da sostanze inquinanti che reagendo con l’acqua formano acido solforico e acido nitrico rendendo acida la pioggia. Quando si hanno le piogge acide la vegetazione viene quasi distrutta (fig. 46). 7.16.7 Possibili soluzioni Delle possibili soluzioni al problema dell’effetto serra e del buco dell’ozono se ne sta parlando molto in questo periodo. Relativamente al buco dell’ozono è stato deciso di sospendere la produzione di CFC. Fig. 39 Fig. 40 Fig. 41 Fig. 42 Fig. 43 Fig.44 Fig. 45 Riguardo l’effetto serra invece è stato deciso con il protocollo di Kyoto di diminuire le emissioni di CO2. Purtroppo però anche le nazione aderenti a questo protocollo hanno parecchie difficoltà sia economiche che politiche (come in Italia per l’eolico fig. 48) per cui si fatica ad investire sulle fonti rinnovabili (fig. 47). Fig. 46 Fig. 47 Fig. 48