Atmosfera

I più grandi pianeti del Sistema Solare (Giove, Saturno, Urano e Nettuno) hanno un'atmosfera composta in gran parte da idrogeno, vapore acqueo, anidride carbonica, ammoniaca e metano. Anche la Terra, quando si formò 4,5 miliardi di anni fa insieme a tutto il Sistema Solare, doveva avere un'atmosfera simile, ma la comparsa della vita ne cambiò radicalmente la composizione.

Le origini dell'atmosfera terrestre
Quando la Terra è nata, 4,5 miliardi di anni fa, l'atmosfera primitiva doveva contenere gli stessi gas che componevano la nube cosmica da cui la Terra ha avuto origine, ovvero elio, idrogeno e altri componenti minori come metano e ammoniaca. Ma l'elio e l'idrogeno sono composti molto leggeri cosicché in tempi più o meno lunghi sono riusciti a sfuggire alla forza di attrazione terrestre, disperdendosi nel cosmo. Analoga fine fecero gli altri gas minori, in parte proiettati nello spazio dall'enorme calore liberato nei frequenti urti con asteroidi o comete e in parte dissociati dall'energia solare, molto intensa in queste fasi iniziali.
Ma come si è giunti allora all'attuale composizione chimica dell'atmosfera? Miliardi di anni fa i gas intrappolati nelle viscere della Terra iniziarono a essere espulsi dalle numerose, enormi bocche vulcaniche comparse sulla crosta superficiale, un processo noto come outgassing. Questa seconda atmosfera fu probabilmente composta dagli stessi gas emessi ancora oggigiorno dai vulcani, ovvero vapore acqueo (85%), anidride carbonica (10%) e azoto (appena qualche frazione percentuale). Come si vede siamo ancora lontani dalla composizione attuale. Nel corso di qualche centinaia di milioni di anni un lento raffreddamento dell'atmosfera condensò il vapore acqueo in uno spesso strato di nuvole, le quali poi inondarono incessantemente di pioggia la superficie terrestre per molte migliaia di anni. Fu allora che sulla Terra comparvero i fiumi, i laghi e gli oceani. Nel frattempo il vapore acqueo così sottratto all'atmosfera seguitava a essere reintegrato dall'outgassing vulcanico.

Anche la concentrazione atmosferica di anidride carbonica subì una drastica riduzione perché assorbita in larga misura dalle acque degli oceani, un processo che ha un'importanza vitale per la biosfera anche oggi.

Una parte dell'anidride carbonica fu invece rimossa attraverso le reazioni chimiche che portarono alla formazione dei carbonati nella sedimentazione delle rocce. Ma nell'atmosfera rimase abbastanza CO2 (circa 300 volte più di adesso) da favorire un effetto serra così intenso da impedire che gli oceani congelassero. La Terra rimase così per molto tempo molto più calda di adesso e le calotte polari non comparvero prima di 2,5 miliardi di anni fa. Nel frattempo, l'azoto, per la sua scarsa reattività chimica, aveva conservato l'iniziale, seppure modesta, concentrazione ma, a seguito della drastica riduzione del vapore acqueo e dell'anidride carbonica, divenne il principale componente dell'atmosfera (78%), una posizione che conserva tuttora. Come spiegare però l'attuale presenza nell'atmosfera anche dell'ossigeno che attualmente è l'elemento più abbondante dopo l'azoto? Ebbene il Sole, così come avviene in tutte le stelle giovani, 3-4 miliardi di anni fa emetteva molta più energia di adesso, specie nella banda degli ultravioletti, tanto da dissociare le molecole d'acqua in molecole di idrogeno e, appunto, ossigeno. Ma mentre l'idrogeno per la sua leggerezza riuscì comunque a disperdersi negli spazi interplanetari, l'ossigeno rimase nell'atmosfera. Gli atomi di ossigeno, combinandosi tra di loro, diedero origine a uno strato di ozono (O3) intorno a 30 km di altezza, dato che a questa quota la quantità prodotta di O3 eguaglia quella dissociata dai raggi UV. Lo strato di ozono ricoprì subito un ruolo fondamentale nello sviluppo della vita, assorbendo gran parte dei raggi UV provenienti dal Sole, notoriamente nocivi per la vita.

Solo dopo la formazione dell'ozonosfera comparvero sulla Terra le prime forme di vita vegetale sotto forma di alghe verdi.

Ma, come noto, le piante, nel processo di fotosintesi clorofilliana, consumano anidride carbonica ed emettono ossigeno, cosicché nel corso di milioni di anni la concentrazione di ossigeno nell'atmosfera è stata in costante aumento fino a raggiungere i livelli attuali (21%) già 600 milioni di anni fa circa.

Attuale composizione dell'atmosfera terrestre
L'atmosfera terrestre è composta da una miscela di gas chiamata aria. Nella tabella seguente vengono elencati i componenti principali dell'aria secca.

 

 

Nell'aria umida è presente anche fino al 4% di vapore acqueo. Tale percentuale dipende da vari fattori quali l'altitudine e la temperatura.
Oltre a questi componenti nell'atmosfera si trovano anche particelle liquide o solide chiamate pulviscolo atmosferico e presenti soprattutto nei primi chilometri a contatto con la superficie terrestre. Si tratta di polveri sia di origine naturale, strappate dal vento o dovute alle eruzioni vulcaniche, sia di origine antropica, legate alle attività dell'uomo.
La massa totale dell'atmosfera è stata stimata intorno a 1015 tonnellate. All'aumentare dell'altezza la densità diminuisce esponenzialmente, per cui il 95% della massa dell'atmosfera occupa i primi 20 km e il 99,9% si trova nei primi 50 km.
Oltre i 1000 km di altezza la densità dell'aria è così bassa che diventa difficile distinguere l'atmosfera dal vuoto interplanetario che avvolge il Sistema Solare.

Struttura dell'atmosfera

L'atmosfera viene suddivisa verticalmente in base alla composizione chimica, alla temperatura e alle proprietà elettromagnetiche.

Classificazione chimica
Seguendo la composizione chimica, si riconosce una bassa atmosfera (o omosfera) tra il suolo e i 100 km, e un'alta atmosfera (o eterosfera) al di sopra dei 100 km.
Nell'omosfera i gas componenti si distribuiscono uniformemente grazie a continui rimescolamenti dovuti soprattutto al riscaldamento solare.
Nell'eterosfera, invece, la quasi totale mancanza di movimenti causa una stratificazione dei gas componenti secondo la loro densità.
Tra i 100 e i 200 km predomina l'azoto molecolare, tra i 200 e i 1000 km vi è soprattutto ossigeno monoatomico creato dalla scissione delle molecole di ossigeno per effetto della radiazione solare, tra i 1000 e i 3500 km si trova principalmente elio, oltre i 3500 km prevale l'idrogeno.

Classificazione termica
Un'ulteriore suddivisione dell'atmosfera terrestre si basa sull'andamento della temperatura con la quota.
La troposfera è la parte più bassa a contatto con il suolo. In tale zona la temperatura diminuisce con la quota fino a raggiungere un minimo di - 50 °C a circa 12 km d'altezza. I continui rimescolamenti d'aria che interessano questa zona rendono estremamente irregolare la diminuzione della temperatura: si può comunque definire un gradiente medio di diminuzione di circa 6,5 °C ogni 1000 m. Tale valore è solo una media: si possono presentare diminuzioni anche più marcate, fino a 10 °C ogni 1000 m, in particolare quando si tratta di aria secca.
La tropopausa costituisce il limite superiore di questa zona. L'altezza della troposfera non è costante intorno a tutta la Terra: all'equatore essa arriva fino a 18 km, mentre ai poli può misurare anche solo 6 km. Intorno ai 30° e ai 65° di latitudine sia nord che sud, si verificano due veri e propri gradini nella troposfera, che passa bruscamente da un'altezza di 14 km a una di 12 km e da una di 10 km a una di 8 km. In corrispondenza di queste discontinuità si hanno le correnti a getto, forti correnti d'aria che regolano il tempo meteorologico di tutto il pianeta.

Nella troposfera è contenuto quasi tutto il vapore acqueo dell'atmosfera: i fenomeni meteorologici hanno luogo solo nei primi chilometri di atmosfera.

Dopo la tropopausa e fino a circa 50 km d'altezza, il gradiente termico si inverte e la temperatura aumenta con l'altezza dal suolo. Questa zona viene chiamata stratosfera, nome dovuto alla parziale stratificazione dell'aria, causata da una diminuzione dei moti verticali. Questa particolarità, unita alla quasi totale mancanza di vapore acqueo, impedisce la formazione di corpi nuvolosi di una certa consistenza. L'aumento della temperatura è dovuto alla presenza di ozono, una molecola formata da tre atomi di ossigeno e ottenuta dalla combinazione di una molecola biatomica di ossigeno con un atomo di ossigeno per assorbimento della radiazione ultravioletta solare. Negli strati superiori, fino a 50 km, è sempre l'ozono a provocare il riscaldamento dell'aria, assorbendo ancora raggi UV e dissociandosi nuovamente.

Tra i 20 e i 30 km d'altezza si registra la massima concentrazione di ozono; tale fascia è detta ozonosfera.

Il limite superiore della stratosfera è detto stratopausa: la temperatura a 50 km è pari a circa 17 °C.
Superata la stratopausa, la temperatura ricomincia a diminuire con l'altezza e intorno ai 95 km raggiunge la temperatura minima di -75 °C. Questa zona viene detta mesosfera. Deboli rimescolamenti dell'aria, come dimostra la presenza di sottili nubi nottilucenti, garantiscono ancora una distribuzione uniforme dell'aria. La mesopausa divide questa zona dall'alta atmosfera o eterosfera dove i gas si distribuiscono a strati in base alla loro densità. La temperatura sale con la quota e può arrivare a superare i 1500 °C nella parte più esterna, a centinaia di chilometri dal suolo. In questa parte dell'atmosfera, il concetto di temperatura è da intendere in senso cinetico, come indicatore dell'energia cinetica delle molecole (l'energia cinetica di un corpo è una grandezza legata alla massa del corpo stesso e alla sua velocità; la teoria cinetica dei gas dimostra che l'energia cinetica media di un gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura).

Classificazione elettromagnetica
Un'ulteriore suddivisione dell'atmosfera terrestre tiene conto delle sue proprietà elettromagnetiche. Una parte della radiazione solare è formata da raggi ultravioletti che riescono a ionizzare gli atomi dell'atmosfera, strappando loro uno o più elettroni. Negli strati più bassi, la densità dell'aria è così elevata che in una frazione di secondo gli elettroni liberati si ricombinano con gli ioni positivi ricostruendo un atomo neutro. Negli strati più alti, a partire da circa 80 km e fino a 500 km, la probabilità che un elettrone strappato a un atomo dai raggi UV si ricombini con uno ione positivo diminuisce e si registra una concentrazione di ioni positivi, che giustifica il nome ionosfera dato a questa parte dell'atmosfera.
Tra gli 80 e i 500 km gli ioni tendono a sistemarsi in 4 fasce distinte, in grado di riflettere le onde radio. La fascia più vicina al suolo riflette le onde lunghe, la seconda fascia le onde medie, la terza e la quarta fascia le onde corte. In questo modo è possibile trasmettere informazioni radio in tutto il pianeta senza bisogno di utilizzare alcun ripetitore. Le onde televisive e le onde in modulazione di frequenza (FM) non vengono riflesse dalla ionosfera e necessitano di ripetitori "a vista" per le trasmissioni.
Al di sopra dei 500 km d'altezza, la radiazione UV è così intensa e l'aria così rarefatta che la quasi totalità degli atomi è ionizzata. I lunghi tempi di vita media degli ioni e dei corrispondenti elettroni permettono al campo magnetico terrestre di influenzarne i movimenti. Questa parte dell'atmosfera prende il nome di magnetosfera.
La magnetosfera è a sua volta attraversata da un flusso di particelle cariche (elettroni e ioni positivi) provenienti dal Sole (il vento solare) che vengono frenati e assorbiti dalla stessa magnetosfera.
All'interno della magnetosfera, a circa 3000 e 20.000 km d'altezza, sono presenti due zone, dette fasce di Van Allen, in cui le particelle ionizzate in movimento vengono catturate dalle linee del campo magnetico terrestre.
Un fenomeno affascinante che avviene nella magnetosfera è l'aurora polare.

Le aurore polari sono formazioni luminose dovute all'interazione tra il campo magnetico terrestre e il vento solare. Sono più frequenti ai poli, dove l'intensità del campo magnetico terrestre è massima.