Latmosfera terrestre è l'involucro di gas che riveste il pianeta Terra, trattenuto sia dalla forza di gravità che dal campo magnetico (contrasta il vento solare che altrimenti la spazzerebbe via) partecipando in massima parte alla sua rotazione. Con una composizione chimica che varia in base alla quota e alla localizzazione, possiede una struttura piuttosto complessa e suddivisa in cinque strati, chiamati sfere, definite in base all'inversione del suo gradiente termico verticale. Partendo dal basso, queste sfere sono troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera, mentre la superficie di discontinuità tra due strati dove ha luogo l'inversione del segno viene detta "pausa". Lo studio dell'atmosfera in tutti i suoi aspetti rientra nel vasto ambito e discipline delle scienze dell'atmosfera.
Descrizione
Dati tecnici
La massa atmosferica è di circa , tre quarti della quale è contenuta all'interno dei primi di altitudine. La pressione atmosferica media al livello del mare, ovvero il peso medio della porzione d'atmosfera soprastante una superficie orizzontale sita al livello del mare diviso l'area di tale superficie, vale . Essa equivale a quella prodotta, alla sua base, da una colonna d'acqua alta poco più di . Tale valore è adottato come definizione dell'unità di misura della pressione chiamata atmosfera.
Pressione e densità diminuiscono circa esponenzialmente all'aumentare della quota, mentre la variazione della temperatura ha un andamento del tutto particolare, in ragione dell'assorbimento della radiazione solare e di quella terrestre, e secondo la classificazione più utilizzata le inversioni del gradiente termico verticale individuano i confini tra le varie fasce atmosferiche. Il colore blu del cielo è dovuto allo scattering di Rayleigh della componente blu dello spettro visibile della radiazione solare, via via maggiore all'aumentare della densità dell'aria. L'atmosfera terrestre non ha un confine esterno ben definito: essa sfuma lentamente verso lo spazio interplanetario, con il colore che passa progressivamente dall'azzurro al blu, fino al nero intenso del quasi vuoto interplanetario.
Proprietà fisiche
Lo spessore dell'atmosfera terrestre, in termini di grandezze in uso in fisica delle particelle, può esser espressa come dove è l'altezza dell'atmosfera e è la densità, così da tener in conto quanto materiale effettivo le particelle che attraversano il mezzo incontrano. Nel caso in esame le particelle che viaggiano attraverso l'atmosfera sono i raggi cosmici e lo spessore della stessa è . Ciò equivale a circa con lunghezza di radiazione nell'aria e a circa con lunghezza d'interazione adronica, definita come interazione di un protone con l'aria.
Composizione
Tralasciando la presenza nell'atmosfera terrestre di polveri, aerosol e inquinanti di origine antropogenica, essa può essere considerata come una miscela di gas che, nel caso dell'aria secca, cioè priva di vapore acqueo, ha la seguente composizione chimica media al suolo (le percentuali indicate sono in volume): Azoto (N2): 78,084% Ossigeno (O2): 20,946% Argon (Ar): 0,934% Anidride carbonica (CO2): 0,0423% (423 ppm) Neon (Ne): 0,0018% (18 ppm) Elio (He): 0,000524% (5 ppm) Metano (CH4): 0,00016% (2 ppm) Kripton (Kr): 0,000114% (1,1 ppm) Idrogeno (H2): 0,00005% (0,5 ppm) Xeno (Xe): 0,0000087% (0,08 ppm).
A tali gas si aggiunge il vapore acqueo (H2O), , e l'ozono (O3), . Sono anche presenti, in tracce, ossidi di azoto (NO, NO2; N2O), monossido di carbonio (CO), ammoniaca (NH3), biossido di zolfo (SO2) e solfuro di idrogeno (H2S).
Non tutti gli strati hanno le stesse concentrazioni di gas: ad esempio il vapore acqueo è presente quasi soltanto nella troposfera, lo strato più basso, ed è praticamente assente nella termosfera e nell'esosfera, che viceversa contengono quasi tutto l'elio e l'idrogeno. La concentrazione del vapore acqueo in troposfera inoltre non è costante, ma varia anche sensibilmente da luogo a luogo e nel tempo in conseguenza del variare del tempo atmosferico ovvero attraverso i processi di evaporazione e condensazione, tappe intermedie del ciclo dell'acqua. L'ozono è contenuto in massima parte nella stratosfera in cui costituisce un importante strato: l'ozonosfera. La composizione dei gas dell'atmosfera non è sempre stata quella attuale, ma durante la storia della Terra è considerevolmente variata.
Maree atmosferiche Le maree atmosferiche di maggior importanza sono prevalentemente generate nella troposfera e nella stratosfera dove l'atmosfera è periodicamente scaldata in seguito all'assorbimento della radiazione solare da parte del vapore acqueo e dell'ozono. Le maree generate sono poi in grado di propagarsi da queste regioni e di salire fino alla mesosfera e alla termosfera. Le maree atmosferiche possono essere misurate come fluttuazioni regolari nel vento, nella temperatura, nella densità e nella pressione. Nonostante le maree atmosferiche abbiano molto in comune con le maree oceaniche si distinguono da queste ultime per due caratteristiche chiave:
sono innanzitutto provocate dal riscaldamento dell'atmosfera da parte del Sole, mentre quelle degli oceani sono prevalentemente provocate dal campo gravitazionale lunare. Ciò significa che la maggior parte delle maree atmosferiche ha un periodo di oscillazione legato alla durata di 24 ore del giorno solare, mentre quelle oceaniche hanno periodi più lunghi legati al giorno lunare (tempo tra due transiti lunari successivi) quantificabile in circa 24 ore e 51 minuti. si propagano in un'atmosfera dove la densità varia in modo significativo con l'altitudine. Una conseguenza di ciò è che le loro ampiezze crescono esponenzialmente quando la marea sale in regioni progressivamente più rarefatte dell'atmosfera. Al contrario, la densità degli oceani varia solo leggermente in relazione alla profondità, e quindi le maree non variano necessariamente in ampiezza relativamente alla profondità.
Si noti che nonostante il calore solare sia responsabile della maggior ampiezza delle maree atmosferiche, i campi gravitazionali del Sole e della Luna provocano anch'essi maree atmosferiche. Come per gli oceani, le maree atmosferiche generate dal campo gravitazionale lunare sono molto più ampie di quelle generate dal campo solare (difatti, le seconde possono essere considerate trascurabili). A livello del suolo, le maree atmosferiche possono essere localizzate come oscillazioni lievi, ma regolari della pressione superficiale con periodi di 24 e 12 ore. Tuttavia, a maggiori altitudini, le ampiezze delle maree diventano molto grandi. Nella mesosfera (altezza di ~ 50 – 100 km) le maree atmosferiche possono raggiungere velocità di 50 m/s e sono spesso la maggior causa di movimento dell'atmosfera.
Suddivisione: strati atmosferici
In primo luogo si è soliti suddividere l'atmosfera in tre distinte fasce in base alla sua composizione chimica:
lomosfera compresa tra il suolo e i di quota dove la composizione chimica media si mantiene pressoché costante a causa dei continui moti di rimescolamento verticale cui è sottoposta. È costituita principalmente da azoto, ossigeno e argon. Nell'omosfera è contenuta il 99,999% della massa dell'intera atmosfera. leterosfera al di sopra dei 100 km di quota, dove si trova un'alta concentrazione di ossigeno atomico (O), prodotto a seguito di fenomeni di fotolisi; l'esosfera, dove prevale la condizione di equilibrio diffusivo, in virtù del quale la composizione chimica varia con la quota con sempre maggior presenza di gas leggeri quali elio e idrogeno fino a sfumare nel quasi-vuoto interplanetario.
Si è soliti inoltre suddividere l'atmosfera terrestre anche in base all'andamento in funzione della quota dei suoi parametri principali, tra tutti la temperatura.
Troposfera
È lo strato in cui si verificano quasi tutti i fenomeni meteorologici e contiene l'80% della massa gassosa totale e il 99% del vapore acqueo: l'aria della troposfera è riscaldata dalla superficie terrestre ed ha una temperatura che diminuisce con l'altitudine fino ai circa −55 °C della tropopausa. L'aria degli strati più bassi, che tende a salire, genera grandi correnti convettive da cui hanno origine venti equatoriali costanti (gli alisei); questo effetto si unisce al cosiddetto "effetto Coriolis" dovuto alla rotazione terrestre, generando il resto della circolazione atmosferica e le perturbazioni atmosferiche.
La troposfera ha uno spessore variabile a seconda della latitudine: ai poli è spessa mediamente 8 km mentre 20 km all'equatore. La pressione atmosferica decresce con l'altitudine secondo una legge in prima approssimazione esponenziale; oltre i 7–8 km di quota la pressione è tanto bassa che non è più possibile respirare senza l'uso di maschere collegate a bombole di ossigeno. Salendo in quota oltre i 5 km, oltre a pressione e temperatura, diminuisce anche il contenuto di vapore acqueo dell'aria, mentre per quote inferiori ai 5 km l'umidità aumenta con la distanza dal suolo. A un certo punto la temperatura si stabilizza a −55 °C circa: è la tropopausa, la zona di transizione fra troposfera e stratosfera.
La parola troposfera deriva dal greco τρόπος (trópos) che significa "variazione, cambiamento" proprio perché all'interno di questa sfera si trovano tutti quei moti d'aria verticali e orizzontali che rimescolano l'atmosfera stessa e che caratterizzano il mutevole tempo atmosferico. La troposfera è inoltre il luogo della vita oltre che dei fenomeni meteorologici: tutte le piante e tutti gli esseri viventi vivono in essa utilizzando alcuni dei gas che la costituiscono, oltre a beneficiare della radiazione solare incidente.
Stratosfera
È lo strato atmosferico che sta al di sopra della troposfera e arriva a un'altezza di 50–60 km. Qui avviene un fenomeno chiamato inversione termica: mentre nella troposfera la temperatura diminuisce con l'altezza, nella stratosfera aumenta, fino alla temperatura di 0 °C. Questo fenomeno è dovuto alla presenza di uno strato di ozono (molecola di ossigeno triatomica), l'ozonosfera, che assorbe la maggior parte delle radiazioni solari ultraviolette (UV) (circa il 99%). In alcuni punti dell'ozonosfera lo strato di ozono si è assottigliato (fenomeno del buco nell'ozono, scoperto nella zona antartica) al punto tale che non offre più un'efficace protezione ai raggi ultravioletti che, in queste condizioni, riescono a raggiungere in grande quantità il suolo terrestre.
Questi raggi causano seri danni ai vegetali e in generale a tutti gli esseri viventi. I danni all'uomo possono essere tumori alla pelle e cecità, a causa di danni irreversibili alla retina. Nella stratosfera le componenti sono sempre più rarefatte, il vapore acqueo e il pulviscolo atmosferico diminuiscono; esistono ancora alcuni rari fenomeni meteorologici e certi particolari tipi di nubi (ad esempio le nubi madreperlacee).
Mesosfera
In questa zona, che va dai 50 ai 90 km di quota, l'atmosfera non subisce più l'influsso della superficie terrestre ed è costante a tutte le latitudini. Essa è caratterizzata da una accentuata rarefazione degli elementi gassosi e da un graduale aumento di quelli più leggeri a scapito di quelli più pesanti. In questa parte dell'atmosfera la temperatura riprende a diminuire con l'altezza e raggiunge il valore minimo, variabile tra i −70 e i −90 °C, intorno agli 80 km; a questa quota si possono osservare a volte le nubi nottilucenti, costituite probabilmente di cristalli di ghiaccio e minutissime polveri: esse sono visibili durante l'estate, al crepuscolo e si presentano come nubi sottili e brillanti, intensamente illuminate dagli ultimi raggi del Sole. L'osservazione di queste nubi mostra che nell'alta mesosfera esiste un complesso sistema di correnti aeree, ad andamento variabile, che dovrebbero raggiungere velocità fino a .