L'atmosfera terrestre: variabili, struttura e composizione dei gas

L'atmosfera

Variabili Atmosferiche

Lo studio dei cambiamenti climatici globali è lo studio dei cambiamenti nell'atmosfera e dei legami con le altre componenti del sistema Si possono usare molte variabili per descrivere le caratteristiche dell'atmosfera. Queste possono essere suddivise in due categorie: variabili fisiche e chimiche Ad esempio: Temperatura Pressione Composizione chimica

Temperatura

Temperatura è la misura della velocità media delle molecole: moto elevato = temperatures elevata. La temperatura è un parametro fondamentale per comprendere il tempo atmosferico, la radiazione e la chimica dell'atmosfera, Ci sono varie scale: Fahrenheit (F): l'acqua ghiaccia a 32ºF e bolle a 212ºF Celsius (C): l'acqua ghiaccia a 0℃ e bolle a 100℃, T(F) = (9/5) T(C) + 32 Kelvin (K): l'acqua ghiaccia a 273.15 K e bolle a 373.15 K, T(K) = T(C) + 273.15

Struttura Verticale dell'Atmosfera

• Gli strati nell'atmosfera sono definiti dalla temperatura
• L'atmosfera terrestre si rarefà sino a "sparire" ad alcune centinaia di Km dalla superfice terrestre

esosphere 1008- satelite -1000 804- -800 -600 408 ant therm 200- -200 100 -100 resistere 40 28-1 -20 comwwescial aircraft -10 ptere 2- -2 planetary boundary layer -1 sea tomet 20 0 20 40 tempinature("c)

Pressione Atmosferica

1 m2 column of air (mass =104 kg) Gravitational force 1 atm pressure at surface La pressione decresce esponenzialmente con l'altitudine. 99% della massa totale dell'atmosfera si trova al di sotto di 30 km di quota. E' la misura della forza esercitata dall'atmosfera sopra di noi. 50 (101 3:25 H0) stralothers Fatiamoney Haunt Dyernit 20 ... 10 (10-t8sn) 0 O 200 400 600 000 1000 1200 pressure (mb)

Composizione dell'Atmosfera Terrestre

L'aria è una miscela di gas

• La composizione varia nello spazio e nel tempo Se rimuoviamo il vapore acqueo, le polveri e altre componenti variabili, azoto, ossigeno e argon costituiscono il 99% dell'aria Nonostante ciò altre componenti come la CO2, pur se in concentrazioni minime (0.04%), influenzano significativemente le dinamiche atmosferiche in termini di T

Composizione dell'Atmosfera Terrestre: Gas

Argon 0.93% Gas in tracce 0.04% Ossigeno 20.95% Azoto 78.08%

Composizione dell'Atmosfera Terrestre: Gas Permanenti e Variabili

• Gas permanenti
• Gas la cui concentrazione rimane costante nel tempo
• Es. Azoto = Gas variabili + Gas la cui concentrazione può variare nello spazio e nel tempo Es. Anidride carbonica TABLE 11.2 Composition of the Atmosphere Permanent Gases Variable Gases Nitrogen 78.08% Water Vapor 0.2.4% Oxygen 20.95% Carbon Dinside 0.038% Arpor 0.93% Mithane 0.00017% Neon 0.0018% Nitrous Oxides 0,000032% Helium 0.00052% Ozone 0.000004% Krypton 0.00011% Halocarbons 0.00000002% Xenon 0.00009% Hydrogen 0.00005% Fircent Ay votre, Zaty in part bom Bryant, E. 1957, Climate pricess & change. New York: Cambridge University Press

Gas Permanenti

La loro percentuale in atmosfera rimane essenzialmente costante Azoto, Ossigeno e Argon Costituiscono praticamente il 99% del volume Scarsamente rilevanti nelle dinamiche dell'atmosfera N, 18P 22N N=N 02 2 Argon 15 26 20 adapª

Composizione dell'Atmosfera Terrestre: Vapore Acqueo e Aerosol

. Due importanti componenti variabili sono il vapore acqueo e gli aerosol . Il vapore ha un comportamento simile alla CO2 nei riguardi della radiazione e costituisce circa 1-4% della troposfera. · Gli aerosols (minuscule particelle solide o liquide) svolgono un ruolo importante perché fungono da nuclei di condensazione e solo anche buoni assorbitori e riflettori di radiazione.

Gas Variabili - Vapore Acqueo

Creato dall'evaporazione (sublimazione) a livello della superficie terrestre, Ritorna a terra attraverso il ciclo idrologico. La temperature dell'aria è il fattore primario di controllo della concentrazione,

Gas Variabili - Anidride Carbonica (CO2)

Estremamente importante, ma ridotta in percentuale (approx. 0.04%) Si descrive la concentrazione in parti per milione (ppm) o miliardo (ppb) Fonti naturali sono i vulcani, la respirazione di piante e animali, i processi di decadimento del materiale organico Viene rimossa attraverso la fotosintesi, erosione chimica nei suoli, assorbimento da parte degli oceani.

Gas Variabili - Anidride Carbonica (CO2) Antropogene

= Fonti Antropogene

• Utilizzo dei combustibili fossili. + Deforestazione. I processi naturali di rimozione della CO2 non sono così rapidi come i processi che ne inducono un aumento, I livelli aumentano di 2/3 ppm all'anno.

Gas Variabili - Ozono O3

SI forma quando un atomo di ossigeno (O) collide con una molecola di ossigeno (O2) Si trova soprattutto nella stratosfera Scherma i raggi ultravioletti, risulta quindi essenziale per la vita sulla terra I clorofluorocarburi (CFCs) distruggono parte lo strato di ozono + Aumenti di tumori alla pelle, cataratta, problemi a livello locale con alcune coltivazioni Si può ritrovare anche nello smog

Ozono nell'Atmosfera

Ozone in the Atmosphere 35 20 30 Altitude (kilometers) 25 Ozone Layer Stratospheric Ozone 15 20 10 15 Altitude (miles) 10 Ozone increases from pollution Tropospheric Ozone 5 5 0 Ozone Concentration

Gas Variabili - Ozono O3: Estensione del Buco dell'Ozono

1973 1500 1965 1566 1967 1024 1909 1950 1991 1991 1994 1962 1999 3000 2081 2003 2006 2009 20111 2014 2017 2018 2019 2028 20.21 Maximum yearly extent of the ozone hole CCECMWF

Gas Variabili - Ozono O3: Area Media e Minimo

2006: 27 2023: 23 1979: 0 Average (7 Sep .- 13 Oct.) ozone hole area (millions of km2) 1979: 225 1994: 92 2023: 115 Average (21 Sep .- 16 Oct.) minimum ozone (Dobson Units) 1980 1990 2000 2010 2020 Note: No data were acquired during the 1995 season

Gas Variabili - Metano (CH4)

Costituente primario del gas naturale Si forma principalmente per le attività batteriche, nei tratti intestinali di termiti, vacche, ovini .... Fonti antropogene: miniere di carbone, pozzi petroliferi, perdite da oleodotti, risaie, discariche e allevamenti animali I livelli sono raddoppiati dal 1700 ed è un gas particolarmente efficace nel riscaldamento. GWP ~ 21 GWP = Global Warming Potential. CO2 = 1 Vita nell'atmosfera = 12-15 anni. CO2 = 50-200

Gas Variabili - Ossidi di Azoto (NOx)

Fonti naturali sono le attività microbiche nei suoli e oceani e gli incendi naturali. Fonti antropiche includono I fertilizzanti e l'uso dei combustibili fossili. Contribuiscono al riscaldamento globale. GWP ~ 120-300. Vita nell'atmosfera: 120-150 anni

Gas Variabili - Alocarburi

Composti chimici contenenti elementi alogeni legati al carbonio Includono i CFCs e sono tutti di origine antropica Utilizzati nei processi industriali, estintori, come fumiganti, refrigeranti e propellenti Contribuiscono al riscaldamento della troposfera e alla riduzione dello strato di ozono. GWP ~ 150-6000. Vita nell'atmosfera: 100 - 15000 anni.

Aerosols

Microscopiche goccioline di liquidi o particelle solide che agiscono da nuclei di condensazione. Importanti nella formazione delle nubi. Associate con l'inquinamento dell'aria Fonti naturali: polvere desertica, incendi forestali, spray marino, vulcani · Fonti antropogene: incendi forestali, combustibili fossili Gli effetti sono multipli e complessi

Aerosols C

Aerosols C

L'Energia e Radiazione

Tutti gli oggetti emettono radiazione ovvero energia . Gli oggettipiù caldi irraggiano una maggiore quantità di energià rispetto agli oggetti più freddi · Maggiore è la temperature del corpo, più corta sarà la lunghezza d'onda della radiazione max ... -

Energia del Sole e della Terra

Rekitimely chertwout meliyim ytuble light poctiit AFin inhunnit 001 01 10 10 100 1000 Confronto tra lo spettro di emissione di energia del Sole e della Terra

Flusso di Energia Annuale dal Sole alla Terra

100% incoming soli radiation 100% total outgoing infrared radiation (earfnhine) 30% meffectid to space (25% from afinosphere, 5% from surface of Earth; 70% heat lost to space ffrom atmosphere and surface of Earth) 45% absorbed by Ecurth ot surface 25% absorbed in atmosphere Heat reabsorbed by Earth ICO, CH, etc.)

Flusso di Energia Annuale dal Sole alla Terra: Unità e Bilancio

Units Win Solar Thermal Incoming reflected outgoing 340 (340, 341) 100 (97, 100) 239 (237.242) atmospheric window 80 75.856 latent hoat greenhouse gases absorbed atmosphere 185 down surface (180. 188) 160 155.1659 82 (72.85) 21 (15 24) 398 (395.400) 342 (329. 347) Imbalance 0.7 100.09 absorbed surface eva poration sensible heat up surface down surface 25 reflected (23,26) surface

Circolazione Atmosferica

I moti atmosferici (venti) dimostrano diversi ambiti di scale orizzontali Scala planetaria: Circolazione globale a scala più ampia, caratteristiche con estensioni paragonabili alle scale continentali o agli oceani, es. gli alisei. Scala sinoptica: Onde con dimensioni orizzontali di alcune centinaia di km, es. sistemi di alte e basse pressioni. Mesoscala: Onde con dimensioni orizzontali dell'ordine da poche decine a centinaia di km, es. onde di ventilazione legate all'orografia della regione.

Circolazione Generale dell'Atmosfera

Riscaldamento a livello delle regioni tropicali induce la circolazione delle celle di Hadley. Masse d'aria calda e umida sale dale zone equatoriali trasferendo vapore acqueo dagli oceani tropicali alle latitudini maggiori. Trasferiscono anche calore dale basse alle alte latitudini L'aria fredda dei poli scende e fluisce verso l'equatore. Jei visats los Westarias (Forel cell) high-pressure bell Ticpical tell (Hatley col) Morstroasberty prace ESUPRY (Doldrums, ITCZ) Southmasterty (Hatley col) Sonoical Wentardes (Feral cet) E Polar cell ,wer toraart 200 Grpoka/Com - Thompson

Circolazione nelle aree intertropicali

ITCZ trasla con le stagioni Questa circolazione è indotta dal riscaldamento solare E' influenzata dal trasferimento di energia stagionale tra gli oceani tropicali e le terre emerse L'inerzia e la capacità termica è maggiore per l'acqua rispetto alla terra Ady ITCZ January ITCZ

Monsone Estivo

l'aria sul continente si scalda e sale portando l'aria umida dagli oceani tropicali Strong solar radiation Low pressure High pressure: cooler ocean Hot land surface

Monsone Invernale

L'aria sopra il continente si raffredda e scende portando aria secca che poi procede verso l'oceano Weak solar radiation High pressure Low pressure: warmer ocean Cold land surface

Effetti Globali della Circolazione Generale

Idealized Earth Actual Earth 600 polar high 60° polar high Ferrel cell Hadley 30° cell 30° westerlies westerlies 1 1 subtropical high subtropical high northeast trade winds 00 northeast trade winds intertropical convergence zone (ITCZ) intertropical convergence southeast trade winds 30° Southeast trade winds Equator subtropical high ·30° westerlies westerlies 60° Ferrel cell 60º Polar cell @ 2015 Encyclopedia Britannica, Inc. (ITCZ) subtropical high Hadley cell Polar cell