Atmosfera terrestre: composizione chimica e stratificazioni principali

L'atmosfera

L'atmosfera è l'involucro gassoso che circonda la Terra e che, grazie alla forza di gravità, l'accompagna nei suoi movimenti. Essa non è un involucro inerte: interagisce con la biosfera, assorbe e distribuisce il calore solare, filtra e scherma le radiazioni solari, partecipa al ciclo idrologico e ai processi di modellamento della superficie terrestre.

La composizione chimica dell'aria

L'atmosfera è costituita da una miscela di gas, comunemente chiamata aria, che diventa sempre più rarefatta a mano a mano che si sale in quota. L'aria presente nella bassa atmosfera (cioè nei primi 80 km circa) è una miscela di azoto (N2 78%), ossigeno (O2 21%), argon (Ar 0,93%) e biossido di carbonio (CO2 0,03%), mescolati con vapore acqueo in quantità variabili, e con percentuali minime di altri gas. L'aria che contiene vapore acqueo è detta aria umida, mentre quella che ne è priva è chiamata aria secca. Nell'aria è presente anche il pulviscolo atmosferico, costituito da particelle di varia natura trasportate dal vento.

Altri Gas (0.1%) (CO2, CH4, SOx, NOx, VOCs ... ) Argon Ar 0.9% Ossigeno O2 20.0% 78.1% Azoto N2 Componenti aria secca: la composizione si riferisce allo strato più basso dell'atmosfera. Nell'alta atmosfera, sopra gli 80 km di quota, l'aria diventa più rarefatta e la sua composizione si modifica: diminuisce la concentrazione di ossigeno e, negli strati più esterni, prevalgono gas con molecole leggere, come idrogeno ed elio.

I componenti dell'atmosfera

L'azoto

L'elemento più abbondante nell'aria, l'azoto (N2), è un gas poco reattivo che raramente interagisce con le rocce o con i minerali. Tuttavia è molto importante per la vita: infatti, viene fissato da batteri azotofissatori (che si trovano nel suolo e nelle radici delle leguminose*) e dai cianobatteri (alghe azzurre) che vivono sia nel terreno che nelle acque. Solo questi organismi sono in grado di fissare l'azoto atmosferico, cioè di produrre sostanze organiche ricche di azoto necessarie a tutti gli organismi per la sintesi di molecole importantissime, come le proteine, il DNA e l'RNA. *L'esempio più noto di simbiosi azotofissatrice è quello tra le Leguminose e il batterio Rhizobium leguminosarum. I batteri del genere Rhizobium si insediano nelle radici della leguminosa inducendo la formazione di tipici noduli radicali.

L'ossigeno

Si trova nell'aria sottoforma di molecole biatomiche (O2), triatomiche (O3 ozono) o di atomi singoli (O). Negli strati bassi dell'atmosfera prevale l'ossigeno biatomico: svolge un'intensa azione di degradazione chimica su molti materiali della litosfera (involucro più esterno della Terra, detto anche crosta terrestre) e interviene in tutti i processi di combustione. Viene prodotto dai vegetali durante la fotosintesi clorofilliana e consumato da tutti gli esseri viventi durante la respirazione cellulare.

Nell'aria della bassa atmosfera, l'ozono è presente soltanto in tracce, mentre si trova in quantità significative in una zona dell'atmosfera compresa tra i 20 km e i 50 km di quota. Questo strato di ozono protegge la superficie terrestre dalle radiazioni ultraviolette provenienti dal sole. Per la sopravvivenza della vita terrestre, è fondamentale che questo strato non venga turbato, per esempio dall'immissione di sostanze inquinanti che accelerano il processo di distruzione dell'ozono.

Il biossido di carbonio

L'anidride carbonica (CO2) viene prodotta dagli esseri viventi durante la respirazione cellulare, si libera nei processi di decomposizione, si forma quando i combustibili bruciano, è emessa dai vulcani. Parte del biossido di carbonio viene continuamente sottratta all'aria: è utilizzato dai vegetali durante la fotosintesi e si scioglie nelle acque oceaniche, dove viene utilizzato da numerosi organismi per la costruzione di gusci e delle parti scheletriche. La concentrazione di biossido di carbonio nell'atmosfera è importante perché influenza in modo determinante la temperatura dell'aria, in quanto assorbe alcune radiazioni solari e trattiene parte del calore irradiato dalla superficie terrestre. Questo fenomeno si chiama effetto serra.

Il vapore acqueo

Il vapore acqueo è responsabile della formazione delle nubi e delle precipitazioni. È presente soprattutto negli strati bassi dell'atmosfera, in quantità maggiore all'equatore e diminuisce verso i poli. Proviene per la maggior parte dall'evaporazione delle acque superficiali, oceaniche e continentali. Quantità minori sono emesse dai vulcani, dagli esseri viventi durante la respirazione (C6H1206 + 6 02 -> 6 H2O + 6 CO2 + 38 ATP) e la traspirazione (le piante attraverso gli stomi presenti sulle foglie eliminano l'acqua sottoforma di vapore acqueo a seconda delle proprie necessità). Anche il vapore acqueo contribuisce all'effetto serra.

Il pulviscolo atmosferico

Comprende una grande quantità di particelle microscopiche, alcune di origine biologica (pollini, batteri, spore di funghi, ecc.) e altre di origine minerale (sabbie e polveri di origine vulcanica, fumi delle attività umane, ecc.). Il pulviscolo è più abbondante in prossimità della superficie terrestre; tuttavia l'alta atmosfera non ne è priva, perché esso viene in parte trascinato a grandi altezze dalle correnti di aria ascendenti.

La struttura dell'atmosfera

Salendo in quota la composizione e molte proprietà fisiche dell'atmosfera si modificano. In particolare, considerando l'andamento della temperatura, la struttura dell'atmosfera viene suddivisa in involucri concentrici detti zone; ogni zona è separata da superfici di discontinuità chiamate pause. Dal basso verso l'alto si succedono:

• troposfera
• stratosfera
• mesosfera
• termosfera
• esosfera.

frangia dell'atmosfera 2500 1000 900 800 polar! termopausa 200 600 aurore! oltre gli 80 km di quota là temperatura aumenta 300 ionosfera termosfera eterosfera -160- altezza in km meteoroid menopausa 100 mesesfora 80 tra 50 e 80 lo latemperatura diminuisce 50 1 stratostera omosfera tra 20 e 50 km la temperatura aumenta - 20 20 tra 0 e 20 km di quota 10 la temperatura diminuisce (di 0,6 °℃ ogni 100 ml - 0ºc - stratpoatisa 1-50 +12℃ 30 troposfera esosfora 400- 200

Troposfera

È la zona a contatto con la superficie terrestre, sede dei fenomeni meteorologici. È la fascia più densa dell'atmosfera: in essa è concentrata la maggior parte della massa dei gas, nonché circa il 75% del vapore acqueo atmosferico. A causa della rotazione terrestre, la troposfera ha uno spessore che diminuisce con la latitudine (6-8 km ai poli, 16-18 km all'equatore, in media 12 km). La troposfera è riscaldata non tanto dai raggi solari che la investono direttamente, quanto piuttosto dal calore che la superficie terrestre irradia, dopo essere stata riscaldata. Poiché riceve prevalentemente calore dal basso, è caratterizzata da una progressiva diminuzione della temperatura con l'altitudine: ai poli, dove è più sottile, la temperatura delle zone più elevate della troposfera raggiunge i - 50 ℃, mentre all'equatore, dove è più spessa, scende anche fino a - 85 ℃. Il limite superiore della troposfera è la tropopausa, una sottile zona di transizione dello spessore di poche centinaia di metri in cui la temperatura si mantiene costante.

Stratosfera

Si estende fino a un'altezza media di circa 50 km. Ha una densità minore rispetto alla troposfera perché i gas sono più rarefatti. Si trovano ancora tracce di vapore acqueo e si possono formare sottili nubi, dette madreperlacee. La temperatura dell'aria alla base della stratosfera è molto bassa, ma aumenta notevolmente con la quota. Oltre i 20 km circa, la temperatura aumenta perché a questa altezza è presente lo strato di ozono, detto ozonosfera. Lo strato di ozono assorbe i raggi ultravioletti (a ciò si deve l'aumento di temperatura) e impedisce loro di raggiungere la superficie terrestre. Per lo strato di ozono la temperatura aumenta fino a 50 km circa, dove si raggiungono i valori massimi di 10-15 °C. La stratopausa separa la stratosfera dall'involucro successivo.

Mesosfera

Si estende dai 50 km agli 80 km. Contiene meno dell'1% della massa totale dell'aria. Questa zona non riceve calore dalla superficie terrestre e non contiene ozono, perciò la temperatura scende fino a raggiungere valori compresi tra - 70 ℃ e - 90 ℃. Nella mesosfera le meteore catturate dalla gravità terrestre, per l'attrito con l'atmosfera, si incendiano originando il fenomeno delle "stelle cadenti". Inoltre, si possono formare nubi sottili e rarefatte, dette nottilucenti.

La mesopausa separa la mesosfera dalla zona sovrastante.

Termosfera

È la zona compresa tra gli 80 e i 600 km circa. I gas sono estremamente rarefatti. La termosfera è anche chiamata ionosfera, perché in questa zona buona parte dei gas subisce una ionizzazione ad opera delle radiazioni solari e cosmiche provenienti dallo spazio. In questo particolare stato elettrico, le particelle ionizzate sono in grado di riflettere le onde radio permettendo le radiocomunicazioni a grande distanza. La termosfera è caratterizzata da costante aumento della temperatura con la quota, a causa del riscaldamento diretto da parte del Sole. La temperatura raggiunge i 1000 °C, eppure questa zona è assai fredda a causa dell'enorme distanza tra le particelle e quindi il calore non può propagarsi. In questo strato si verificano le aurore polari (boreali e australi), fenomeni luminescenti di diverso colore dal verde al rosso-viola, osservai oltre il 65° parallelo. La superficie di discontinuità tra la termosfera e l'esosfera è la termopausa.

Esosfera

È la zona più esterna dell'atmosfera, comincia dai 600 km e manca di un vero e proprio limite superiore, in quanto sfuma fino a confondersi con l'atmosfera solare (viene stabilito un limite convenzionale tra i 2000-2500 km di altezza). Ha una bassissima densità ed è composta soprattutto da atomi di elio e di idrogeno che possono sfuggire al campo gravitazionale terrestre. Nell'esosfera la temperatura aumenta notevolmente. Oltre la zona più esterna dell'atmosfera si estende la magnetosfera, costituita da particelle cariche (elettroni e protoni) provenienti dal vento solare e attratte dal campo magnetico terrestre.