Atmosfera terrestre, clima e cambiamento climatico: un'analisi completa

L'atmosfera terrestre

L'atmosfera è l'involucro gassoso che avvolge la Terra e rappresenta il serbatoio da cui i viventi attingono ossigeno e diossido di carbonio; inoltre, mantiene la superficie del pianeta a una temperatura compatibile con la vita, lo protegge dai frammenti rocciosi vaganti nello spazio e, non ultimo, è coinvolta nel ciclo dell'acqua. Essa non è omogenea infatti possiamo distinguerla in bassa atmosfera, fino ai 90 km di quota e alta atmosfera , al di sopra di questo limite

• la bassa atmosfera ha una composizione costante, per la presenza di moti convettivi nell'aria che provocano il continuo rimescolamento dei gas. I principali componenti dell'aria secca (ovvero quella prima di vapore acqueo) sono l'azoto per il 78%, l'ossigeno per il 21%, i gas rari per lo 0,9%.
• Il vapore acqueo è un elemento molto importante. Si trova in maggiore quantità nelle zone dell'equatore e vicino agli oceani, dove l'evaporazione è più forte. Man mano che si sale di quota, ce n'è sempre meno perché la temperatura diminuisce e, con il freddo il vapore tende a condensare
• Nella bassa atmosfera, soprattutto nella parte più vicina alla superficie terrestre, è presente in grande quantità il pulviscolo atmosferico. Il pulviscolo atmosferico è formato da cenere vulcanica, da polline e da polveri di varia origine
• L'alta atmosfera non è omogenea, i moti dei gas sono ridotti e non c'è rimescolamento. In questa fascia i gas perciò sono distribuiti per fasce in base alla densità possiamo considerare l'atmosfera costituita da una serie di strati sovrapposti d densità decrescente, detti sfere delimitati da zone di transizione dette pause
• troposfera: è lo strato più basso e denso dell'atmosfera, caratterizzato dalla presenza di pulviscolo atmosferico e vapore acqueo. Sostanzialmente è la sfera a contatto con la superficie terrestre e rappresenta l'aria che respiriamo. Il suo spessore è maggiore al di sopra della fascia equatoriale e minore in corrispondenza delle calotte polari. Essa termina con la tropopausa. Nella troposfera la temperatura diminuisce procedendo verso l'alto, in media diminuisce di 0,6°C ogni 100m poichè essa è riscaldata dal basso
• Tropopausa: è un sottile strato di transizione in cui la temperatura raggiunge il valore minimo
• Stratosfera la composizione percentuale dei gas è la medesima della troposfera, ma le particelle gassose sono più distanti fra loro. Il vapore acqueo è pressoché assente, invece , è presente la maggior parte dell'ozono atmosferico. Quest'ultimo svolge un'attività fondamentale per la vita sulla terra, perché assorbe le radiazioni ultraviolette che sono radiazioni biologicamente dannose. La temperatura non varia rispetto a quella della tropopausa (circa -70° C) fino alla quota di circa 20 km, poi però aumenta grazie al processo di formazione dell'ozono che assorbe le radiazioni solari ultraviolette a maggiore energia. L'ozono si forma, si dissocia e si riforma in continuazione, impedendo alla maggior parte della radiazione ultravioletta di raggiungere la superficie terrestre. Questo gas è localizzato quasi interamente in uno strano detto ozonosfera. Questo tipo di situazione in cui aria calda e leggera si trova posizionata al di sopra di aria fredda e densa è detta inversione termica e impedisce che si verifichino rimescolamenti dell'aria.
• Mesosfera si trova al di sopra della stratosfera e a circa 80 km di altezza si colloca la mesopausa. I gas della mesosfera sono molto rarefatti. A causa della mancanza di gas come l'ozono che assorbono le radiazioni più energetiche la temperatura riprende a diminuire con l'altezza fino a raggiungere i valori minimi variabili tra i -70 e -90 °C. Ai confini tra mesosfera e mesopausa si verifica il fenomeno delle nubi nottilucenti sottili nuvole costituite da polveri fini e cristalli di ghiaccio si possono vedere al crepuscolo in estate colpite dagli ultimi raggi del sole. Alcuni fenomeni metereologici possono avvenire anche nella mesosfera un esempio sono gli sprites fenomeni elettrici di colore rosso arancio che al di sopra di temporali e grazie all'attività elettrica degli stessi restano visibili per un 10º di secondo e assumono il profilo di grandi meduse con i tentacoli colorati di azzurro.
• Termosfera la densità dei gas continua a decrescere e predominano elio e idrogeno mancano quasi completamente /20 e turbolenze e l'andamento delle temperature è influenzato unicamente dall'energia proveniente dal sole. La temperatura sensibile in questo strato è di molto inferiore. Infatti il calore si trasferisce con gli urti tra le particelle, però in questo strato la densità dei gas è così bassa che si verificano pochi urti e non c'è trasferimento di calore al di sopra dei 60,70 km di altezza dal suolo, le radiazioni solari ad alta frequenza, quindi i raggi X e quelli ultravioletti provocano la ionizzazione dei gas atmosferici, causando così la trasformazione delle molecole ioni questo fenomeno che si verifica già nella parte superiore della mesosfera coinvolge interamente la atmosfera in una Termosfera fascia chiamata ionosfera. La percentuale di particelle ionizzate non è grande ma riesce comunque a determinare fenomeni di notevole importanza infatti la ionosfera non modifica la propagazione delle onde luminose ma influenzano notevolmente quella delle onde radio che vengono riflesse verso il basso, consentendo quindi le radiocomunicazioni a grande distanza collegando località tra le quali la trasmissione in linea retta è impossibile a causa della curvatura della terra. La ionosfera è inoltre sede di un altro particolare fenomeno, ovvero le aurore polari che compaiono nel cielo oltre i 65° di latitudine N e S
• Esosfera e la parte più esterna la temperatura continua ad aumentare con la quota fino a raggiungere i 2000 °C. La densità raggiunge i valori minimi in essa abbiamo una zona chiamata frangia dell'atmosfera situata a circa 2500 km di quota in cui le particelle gassose non risentono dell'attrazione gravitazionale e non partecipano alla rotazione terrestre non si può tuttavia definire questa fascia come il limite dell'atmosfera poiché sfuma gradualmente nello spazio.

Space Weather

Anche uno spazio ha un suo tempo metereologico, il cosiddetto space weather o tempo metereologico spaziale. Esso è determinato dal gran numero di particelle emesse dal sole che prendono il nome di vento solare, esso è composto da un flusso di particelle cariche principalmente elettroni e protoni prodotto dalla corona del sole. La sua densità e velocità dipendono dal periodo di attività solare. Il vento solare interagisce sia con altri corpi planetari sia con il campo magnetico terrestre. Questa interazione può generare fenomeni ad esempio il disturbo delle radiocomunicazioni. 20 solari molto forti possono disturbare o addirittura danneggiare i satelliti in orbita, così come le reti elettriche a terra.

Bilancio Radiativo

Il sole è la principale fonte di energia per la terra. Non tutta l'energia solare arriva al suolo: una parte viene assorbita o riflessa dall'atmosfera( gas, polveri, nuvole, vapore acqueo). Solo circa il 51% dell'energia solare raggiunge la superficie terrestre. Di questa, un piccolo 4% viene riflesso di nuovo, quindi la terra trattiene circa il 47% dell'energia iniziale. Questa energia riscalda la superficie e viene poi rilasciata nell'atmosfera sottoforma di calore o usata per fare evaporare l'acqua. Quando il vapore acqueo si condensa formando le nuvole, libera calore che viene disperso nello spazio. Alla fine, l'energia che entra nel sistema terra è uguale a quella che esce per questo si parla di bilancio radiativo nullo.

Effetto Serra

L'atmosfera assorbe solo una piccola parte della luce solare circa il 17% quindi non è il sole a riscaldarla direttamente. In realtà, è la superficie terrestre che, dopo aver assorbito l'energia solare, la trasforma in calore e la rilascia verso l'alto. Questo calore, sottoforma di onde lunghe, viene in gran parte trattenuto dall'atmosfera e rispedito verso il suolo. Questo fenomeno si chiama effetto serra: funziona come il vetro di una serra, che lascia entrare la luce, ma trattiene il calore. Grazie a questo processo, la terra mantiene temperature adatte alla vita poiché senza effetto serra la temperatura media sarebbe molto più bassa come succede sulla luna. Negli ultimi anni, però, il pianeta si sta riscaldando più del normale probabilmente a causa dell'effetto dei gas serra nell'atmosfera.

Inquinamento Atmosferico

L'inquinamento dell'aria, insieme a quello di acqua e suolo, e una minaccia sempre più seria per la salute e preoccupa l'opinione pubblica. L'aria non è mai del tutto pulita: anche in natura esistono inquinanti come ceneri vulcanica, pollini o polveri sollevate dal vento. Tuttavia, l'attività umana ha aumentato molto l'inquinamento, soprattutto con combustibili fossili e prodotti chimici usati in agricoltura. Anche se spesso sono presenti in piccole quantità, questi inquinanti possono rendere l'aria pericolosa. Gli inquinanti atmosferici possono essere gas o piccole particelle. Si spostano facilmente col vento e raggiungono anche zone lontane. Esistono tre tipi principali:

• Inquinanti primari: sono rilasciati direttamente nell'aria da fonti evidenti tra i più importanti ci sono il diossido di zolfo prodotto dalla combustione del carbone gli ossidi di azoto provenienti dai motori hanno anidride carbonica responsabile dell'effetto serra monossidi di carbonio molto tossico per l'uomo idrocarburi piombo, amianti e polveri fini tutti dannosi per la salute.
• Inquinanti secondari: si formano da reazioni chimiche tra inquinanti primari e altri elementi. Un esempio è l'acido solforico causa delle piogge acide. Anche la luce del sole può provocare reazioni che creano ozono e altri composti tossici.
• Inquinanti particellari: sono piccole particelle solide o liquide come fuliggine, ceneri o metalli sospese nell'aria spesso provenienti da combustioni o attività industriali.queste particelle possono formare aerosol come fumo o nebbia. Tra queste ci sono le polveri sottili, molto pericolose perché entrano nei polmoni: la PM10 arrivano ai bronchi PM2.5 penetrano i polmoni PM1 arrivano fino agli alveoli. Queste particelle possono causare asma, problemi cardiaci e respiratori in Italia la legge stabilisce dei limiti dalla loro concentrazione per proteggere la salute.

Come Varia la Temperatura

La temperatura è un elemento importante del tempo atmosferico e cambia in base a diversi fattori:

• La latitudine più ci si allontana dall'equatore più la temperatura diminuisce perché i raggi del sole arrivano meno diretti
• Esposizione nei rilievi, i versanti rivolti al sud sono più caldi di quelli rivolti al nord
• Altitudine in montagna, fa più freddo perché l'aria si riscalda dal basso, cioè dalla superficie terrestre
• Vegetazione le piante aiutano a regolare la temperatura assorbendo energia e aumentando l'umidità
• Vicino al mare o ai laghi, l'acqua si scalda o si raffredda lentamente, quindi le zone costiere hanno temperature più stabili
• Nuvole di giorno le nuvole bloccano il calore del sole, mentre di notte impediscono al calore del suolo di disperdersi
• Città, le aree urbane sono più calde per via dell'asfalto e degli edifici che trattengono il calore

Come Cambia la Temperatura del Giorno

Durante il giorno, la minima si registra all'alba mentre la massima tra le 14 e le 15 non a mezzogiorno. Si possono calcolare.

• Temperatura media giornaliera che equivale alla somma della massima più la minima il tutto fratto due
• Temperatura media mensile che equivale alla media delle giornaliere del mese
• Temperatura media annuale che equivale alla media delle mensili dell'anno

Per ottenere dati affidabili, si usano medie su periodi lunghi. La distribuzione della temperatura sulla terra si rappresenta con isoterme, cioè linee che uniscono i punti con la stessa temperatura.

L'inversione Termica

normalmente la temperatura dell'aria diminuisce salendo di quota perché il suolo riscalda l'aria vicina che poi si solleva e si raffredda questo è il gradiente termico negativo. In caso di inversione termica invece accade il contrario la temperatura aumenta con l'altitudine. Questo accade quando il suolo non riesce a riscaldarsi bene e quindi l'aria vicino al terreno diventa più fredda di quella di sopra. Questo può verificarsi in diverse condizioni, come ad esempio: