Quando si parla di atmosfera una delle sue caratteristiche che più colpisce il lettore è la sua estrema sottigliezza. Alla fine dei conti il nostro prezioso involucro gassoso, che ci difende e protegge dal gelo eterno dello spazio, è qualcosa di eccezionalmente sottile e della consistenza di un velo di relativamente pochi atomi.
Prendiamo un mappamondo, di quelli che abbiamo comunemente in casa, immergiamolo in una vasca da bagno colma d'acqua e ritiriamolo immediatamente fuori: ecco quel velo di acqua che avvolge per un istante il nostro mappamondo, rappresenta in scala la proporzione tra spessore dell'atmosfera ed il nostro pianeta. I 10 - 15 km di troposfera, la parte più densa ed inferiore dell'atmosfera terrestre, la Troposfera, rispetto al raggio del nostro pianeta ne rappresenta solamente lo 0,002 % appunto uno spessore di appena qualche decimo di millimetro rispetto al nostro mappamondo, davvero un tenue velo gassoso.
Ma come fa il nostro Shuttle a capire quando finisce la Troposfera? Basta ritornare a leggere il nostro termometro: dopo la discesa pressoché costante con la salita, ecco che la diminuzione improvvisamente si ferma, la temperatura rimane pressoché costante per un breve tratto, ed il trend di discesa compie quindi una pausa.
Eccoci arrivati quindi nella Tropopausa, una zona di intervallo che presto lascia spazio ad una risalita delle temperature, che dal gelo dei -60 / -70 °C cominciano drammaticamente a salire man mano lo Space Shuttle guadagna metri e chilometri in altezza. Questo livello in cui la temperatura costantemente tende all'aumento (fino ad arrivare a valori prossimi agli 0 °C) prende il nome di Stratosfera, e svolge per noi un ruolo importantissimo nell'economia della vita, trovandosi qui i livelli ricchi di ozono, l'ossigeno triatomico che ci protegge dalla radiazione ultravioletta proveniente dal sole. Per inciso è proprio l'interazione tra ozono e raggi ultravioletti che scalda la stratosfera.
Gli astronauti bene sperimentano questa sensazione di "inconsistenza" della nostra atmosfera: dalle foto dello Space Shuttle in orbita, e nelle fotografie satellitari la Terra ci appare circondata da una sottile linea azzurra, il nostro scudo che ci ripara e ci da la vita.
Lo Space Shuttle si trova a circa 400 km di altezza, e da lassù il pianeta già impressiona per i colori dei deserti il blu dell'oceano e lo spettacolo delle nuvole che disegnano linee di luce ed ombre di rara suggestione. Seppur possano sembrare tanti, 400 km di altezza sono ancora un inezia rispetto al nostro pianeta, e se torniamo al nostro mappamondo (ipotizziamo un diametro di 30 cm) e facendo le dovute proporzioni in scala il nostro Space Shuttle compie delle orbite intorno dalla terra ad appena 1 cm circa dal mappamondo. In realtà non ci siamo distaccati di molto dal nostro pianeta!
Eppure non c'è nulla di più romantico e simile all'avventura che assistere alla partenza dello Space Shuttle che decolla tra fiamme e vapori impressionanti, ma tanta spinta serve a vincere la forza di gravità, e l'atmosfera non è che una tenue cortina che ci avvolge come un velo.
Quando uno Space Shuttle parte, impiega davvero pochi secondi per attraversare il nostro involucro gassoso, in genere dopo 2 minuti dall'accensione dei motori l'astronave si trova al di fuori degli strati terminali della stratosfera. E' interessante notare come un termometro installato al di fuori dello Space Shuttle, durante la risalita, riesca a darci dei dettagli di questa atmosfera, così sottile ma così strutturata in modo complesso.
Appena partito lo Space Shuttle, il nostro termometro comincia a segnare un temperatura in veloce diminuzione, ogni chilometro che l'astronave si solleva in media la temperatura diminuisce di circa 6-7 gradi centigradi! Arrivati a dieci km di altezza abbiamo perso ormai 70 gradi, e se alla partenza il nostro termometro segnava +20 °C ecco che ci troviamo ad una congelante temperatura di - 50°C, e sono passati solo pochi secondi dalla nostra partenza! Questo calo della temperatura atmosferica è presto spiegato: salendo di quota diminuisce la pressione della colonna d'aria, cui ne consegue una espansione del gas ed un suo raffreddamento. Ma a 10 km di altezza l'aria che avvolge il pianeta non è più come quella che siamo abituati a respirare, la densità rarefatta dell'aria a queste altezze non consente di respirare efficacemente, e si rende necessario una respirazione assistita per non cadere in una anossia mortale.
Questa fascia di atmosfera, che si rarefa gradualmente e si raffredda con l'altitudine prende il nome di Troposfera, un mix di parole greche che significano "sfera turbolenta" e cioè quella fascia atmosferica più complessa dove accadono i principali fenomeni meteorologici. La sua altezza varia a seconda delle stagioni e delle latitudini, e tocca i 15-17 km al di sopra dell'equatore scendendo a circa 10 km nelle zone polari.
Ma come fa il nostro Shuttle a capire quando finisce la Troposfera? Basta ritornare a leggere il nostro termometro: dopo la discesa pressoché costante con la salita, ecco che la diminuzione improvvisamente si ferma, la temperatura rimane pressoché costante per un breve tratto, ed il trend di discesa compie quindi una pausa.
Eccoci arrivati quindi nella Tropopausa, una zona di intervallo che presto lascia spazio ad una risalita delle temperature, che dal gelo dei -60 / -70 °C cominciano drammaticamente a salire man mano lo Space Shuttle guadagna metri e chilometri in altezza. Questo livello in cui la temperatura costantemente tende all'aumento (fino ad arrivare a valori prossimi agli 0 °C) prende il nome di Stratosfera, e svolge per noi un ruolo importantissimo nell'economia della vita, trovandosi qui i livelli ricchi di ozono, l'ossigeno triatomico che ci protegge dalla radiazione ultravioletta proveniente dal sole. Per inciso è proprio l'interazione tra ozono e raggi ultravioletti che scalda la stratosfera.
La Stratosfera si estende fino a circa 50 km di altezza ed il fatto che la temperatura aumenti con la quota rende questo livello atmosferico assolutamente stabile. Il concetto di instabilità in meteorologia può essere pensato immaginando fluidi a densità diversa a contatto: se un fluido più denso (ad esempio acqua) viene a trovarsi in alto, sopra ad un fluido meno denso (olio) questa è una situazione di grande instabilità, con il fluido denso che cercherà di prendere il posto del fluido meno denso. Viceversa un fluido meno denso che sovrasta un fluido più denso non comporta alcuna variazione ed una situazione di stabilità. La stratosfera quindi, con la presenza di aria sempre più calda con la quota inibisce i movimenti convettivi e rimane un livello atmosferico di grande stabilità e di flussi prevalentemente orizzontali.
Il nostro Shuttle continua la sua veloce corsa e l'aumento della temperatura che aveva evidenziato la presenza della stratosfera lascia il campo ad una nuova piccola pausa: è il sottile livello della stratopausa che prelude ad una nuova costante diminuzione termica che i sensori dello Shuttle avvertiranno da li a poco.
E' la Mesosfera, quella fascia di atmosfera compresa tra i 50 e 80 km circa, ed è qui che il termometro dello Shuttle registra la temperatura più bassa della sua missione. La Mesosfera raggiunge infatti una temperatura che può toccare i -100 °C e qualcosa in meno nella stagione invernale. A queste altezze si consumano la maggior parte dei corpi celesti di piccole dimensioni, i meteoroidi, che interagendo ad elevatissime velocità con la mesosfera terminano la loro corsa in una scia di luce, formando le meteore.
Talvolta i meteoroidi più grandi (da qualche cm a qualche metro) producono delle vere e proprie palle di fuoco che vengono chiamate bolidi e che prima di esplodere posso raggiungere il livello della stratosfera. Sono eventi rari ma che sonno produrre dei residui solidi che possono giungere al suolo in caduta libera, prendendo nome di meteoriti. Il limite di grandezza di questi copri celesti, al di sopra del quale possono colpire la superficie del pianeta, varia dai 100 ai 300 m di diametro, a seconda della consistenza delle rocce che lo compongono, della velocità di ingresso e del raggio di incidenza con la nostra atmosfera.
Ma se questi eventi hanno dei tempi di ritorno geologici, si stima di milioni di anni, il "bombardamento" delle micro meteore e dei meteoroidi più piccoli è decisamente intenso, ad alcune stime indicano che la Terra riceva almeno 40.000 tonnellate all'anno di polveri cosmiche! Grazie quindi all'atmosfera che ci regala questo scudo efficacissimo.
Continuiamo allora la corsa con il nostro Shuttle, magari sperando di non incontrare qualche grosso meteoroide lungo la nostra traiettoria, e mentre prosegue la salita notiamo che il nostro termometro dopo una breve interruzione (mesopausa) ha ripreso a risalire ed in modo vertiginoso: siamo entrati nella Termosfera.
In realtà il nostro termometro non è uno strumento classico come quelli che teniamo nei mostri giardini: a quelle basse pressioni (la termosfera presenta una pressione oltre un milione di volte inferiore che a livello del mare) la temperatura non si può misurare con un sistema a conducibilità. L'aria è così rarefatta che il termometro non risentirebbe di variazioni. La temperatura da misurare è quella cinetica, e cioè il grado di agitazione delle molecole di gas che qui possiedono una elevata energia e mobilità causata dai raggi ultravioletti che a queste quote iniziano a ionizzare i gas.
Quindi la temperatura della termosfera schizza a elevati valori, salendo fino a circa 1500 °C prima di raggiungere un livello di nuova stabilità: si tratta della Termopausa, zona di transizione con il successivo livello, quello più esterno chiamata ionosfera.
Nel nome della ionosfera c'è anche la spiegazione dello stato in ci si trovano i suoi atomi sparsi. Qui l'atmosfera è ancora più rarefatta, e i pochi atomi di gas si trovano in uno stato ionizzato e cioè con gli elettroni che vengono rimossi dalla radiazione ultravioletta emessa dal sole ed in minor parte dall'azione energetica dei raggi cosmici.
Lo stato di ionizzazione cambia durante al giornata, a seconda della diversa illuminazione da parte del Sole. La ionosfera ionizzata ha anche consentito le trasmissioni radio a lunga distanza senza bisogno di satelliti, infatti essa risulta opaca a determinate lunghezza d'onda radio (onde corte) che si riflettono su di essa e ritornando verso terra.
L' estensione della ionosfera arriva ai confini dell'azione gravitazionale del nostro pianeta, e quindi fino ad altezze di circa 450 km, poco più in alto della quota in cui lo Shuttle entrerà in orbita. Oltre ci attende lo spazio esterno dell'esosfera, il gelido vuoto che circonda i pianeti e le stelle dell'universo. Anche la Stazione Spaziale internazionale (ISS) viene a trovarsi ad orbitare nella ionosfera, e dal suo punto di vista si ha la possibilità di ammirare il sottile involucro di gas che avvolge il pianeta, con le sue dinamiche di nuvole in perenne mutazione, aspetti che con i colori accesi delle terre emerse ed il blu rilassante degli oceani, rendono di una bellezza incomparabile il nostro pianeta visto dallo Spazio.
La vista è comunque parziale, 400 km di altezza non sono sufficienti per avere un visone di insieme. Inoltre, per mantenere un orbita così vicina al pianeta Terra, lo Shuttle e l'ISS devono mantenere un elevata velocità di circa 28.000 km orari compiendo una rivoluzione completa in meno di 90 minuti. Ad ogni giro, nel frattempo, la Terra ruota su se stessa di 1/16, e quindi si presenta diversa agli occhi degli astronauti.
Dal punto di vista scenico la ISS è un luogo magico dove cambia il panorama in continuazione e in pochi minuti di possono ammirare paesaggi polari che mutano in deserti, foreste ed oceani immensi, il tutto reso ancora più animato dalle formazioni nuvolose e le grandi tempeste tropicali.
Questa è però una visione parziale del pianeta Terra, per riuscire ad ammirarlo nella sua interezza dobbiamo salire molto più in alto, a distanze che fino adesso solo poche decine di uomini hanno potuto raggiungere. Il luogo migliore per farlo è forse quello dei satelliti geostazionari, cioè chi si trovano ad un quota tale che la loro rivoluzione (lungo un orbita equatoriale) intorno alla Terra sia sincrona alla rotazione terreste. In questo modo un satellite ruota sincronizzato al nostro pianeta e osserva la Terra sempre centrato sulla stessa longitudine terrestre.
I satelliti meteorologici sfruttano questa particolare orbita geostazionaria, in modo da poter seguire l'evoluzione del tempo meteorologico senza dover spostare il loro angolo di osservazione. Anche se il termine stazionario potrebbe far presupporre una loro immobilità, questi satelliti sono costretti a muoversi ad una velocità di circa 11.000 km all'ora per seguire il passo della rotazione terrestre! I satelliti geostazionari si trovano quindi a circa 1/10 dalla distanza dalla Luna ed è giunto quindi il momento di andare in giro per il sistema solare a caccia di nuvole e fenomeni meteorologici diversi da quelli che conosciamo sulla nostra cara Terra.
Immaginando di accelerare adeguatamente con il nostro veicolo spaziale raggiungiamo il nostro satellite, vale a dire la Luna, orbitante a circa 384.400 km dalla Terra.
Una cosa appare subito chiara: sulla Luna non c'è atmosfera. Quando una stella viene occultata dal nostro satellite, sparisce istantaneamente e la sua luce non mostra né rifrazione né assorbimento da parte dell'atmosfera.
Perché? Per le leggi del moto, il centro dell'orbita lunare non è la Terra, ma il centro di gravità del sistema Terra-Luna. La localizzazione di quel punto consente agli astronomi di ricavare la massa della Luna, e, da quella, l'intensità della gravità lunare. Sulla superficie della Luna, è stato valutato, la gravità è soltanto 1/6 di quella sulla superficie terrestre.
La gravità è importante per trattenere l'atmosfera. E' infatti la gravità che l'attrae verso il basso, mentre il calore tende a farla sfuggire.
Il calore non è altro che lo stato di agitazione di atomi e di molecole. In un solido o un liquido caldo, il calore può essere considerato come un moto che scuote gli atomi e le molecole attorno alla loro posizione di equilibrio. Più alta è la temperatura, più è violento il moto, fino a che il materiale bolle o evapora, quando cioè le scosse liberano completamente le particelle. In un gas, gli atomi e le molecole si muovono casualmente, urtandosi in continuazione (se il gas è denso come lo è nell'atmosfera).
La velocità media di una molecola di un gas dipende dalla temperatura del gas, e, a temperatura ambiente, è confrontabile con quella di un proiettile d'arma da fuoco, piuttosto al di sotto della "velocità di fuga", necessaria per sfuggire alla gravità terrestre. Tuttavia, questa è soltanto la media: le velocità effettive si distribuiscono attorno al valor medio, seguendo la "distribuzione di Maxwell".
In accordo con questa distribuzione di Maxwell, ci saranno sempre alcune molecole abbastanza veloci da sfuggire, e, se queste molecole si trovano nella parte alta dell'atmosfera, muovendosi verso l'alto e senza subire ulteriori collisioni, saranno perdute definitivamente.
Per la Terra, il loro numero è troppo piccolo per avere importanza, ma per la Luna, che ha soltanto 1/6 della gravità superficiale terrestre, si può calcolare che qualsiasi atmosfera verrebbe perduta nel giro di qualche era geologica.
Pertanto, in queste condizioni, il nostro satellite vede elevatissime escursioni termiche che lo rendono assolutamente inospitale (anche per altre ragioni). Infatti essa ha una escursione termica tra notte e giorno di circa 350 gradi centigradi (C): la temperatura sulla sua superficie può variare tra i -233°C di notte ai +123°C di giorno proprio a causa della mancanza di atmosfera.
Interrompiamo qui il nostro ipotetico viaggio, ma lo riprenderemo in seguito, per sperimentare le caratteristiche atmosferiche dei pianeti a noi più vicini.