SCIENZE INTEGRATE
LEZIONE N. 6
slide N. 28
L’ATMOSFERA
“Sfera dell’ARIA”
I Istituto Tecnico Industriale
Prof. Fabrizio CARMIGNANI
[email protected]
www.fabriziocarmignani.com
IISS “Mattei” – Rosignano S. (LI)
slide 28
ATMOSFERA
L'ATMOSFERA TERRESTRE è l'involucro di gas che riveste la TERRA
Tra tutti i pianeti del Sistema Solare la Terra è l'unico a possedere
un'atmosfera ricca di ossigeno e di azoto, elementi fondamentali per
consentire la presenza della vita in tutte le sue forme,
animali e vegetali (almeno come la concepiamo noi)
L'atmosfera svolge anche un
ruolo essenziale per garantire
la protezione della vita:
costituisce infatti uno
schermo estremamente
efficiente per assorbire le
radiazioni ultraviolette e per il
flusso di particelle provenienti
dal Sole (VENTO SOLARE)
che altrimenti la
distruggerebbero quasi
immediatamente
L'atmosfera protegge inoltre la superficie terrestre dall'impatto delle meteoriti
che, a eccezione di alcune di dimensioni particolarmente rilevanti, si
disintegrano per l'attrito con gli strati superiori (METEORE o STELLE CADENTI)
L'atmosfera svolge anche un
ruolo molto rilevante nella
definizione della morfologia
della superficie terrestre:
i fenomeni meteorologici e le
reazioni chimiche che hanno
luogo nella bassa atmosfera
costituiscono una delle cause
più importanti delle continue
trasformazioni della litosfera e
della idrosfera
L'atmosfera interviene infatti
in modo quasi esclusivo nei
processi di erosione e di
sedimentazione oltreché nel
CICLO dell'ACQUA
COMPOSIZIONE dell’ATMOSFERA
La sua composizione chimica media al suolo (ARIA) è la seguente:
AZOTO (N2): 78,08%
OSSIGENO (O2): 20,95%
Argon (Ar): 0,93%
Vapore acqueo (H2O): 0,33% in media
Anidride carbonica (CO2): 0,032% (320 ppm)
Neon (Ne): 0,00181% (18 ppm)
Elio (He): 0,0005% (5 ppm)
Metano (CH4): 0,0002% (2 ppm)
Idrogeno (H2): 0,00005% (0,5 ppm)
Kripton (Kr): 0,000011% (0,11 ppm)
Xeno (Xe): 0,000008% (0,08 ppm)
Ozono (O3): 0,000004% (0,04 ppm)
Sono anche presenti, in tracce, Ossidi di azoto (NO, NO2, N2O),
Monossido di carbonio (CO), Ammoniaca (NH3)
Biossido di zolfo (SO2), Solfuro di idrogeno (H2S)
STRUTTURA dell’ATMOSFERA
Ha una struttura piuttosto complessa e divisa
in più strati che, a partire dal suolo, sono:
1. TROPOSFERA
2. STRATOSFERA
3. MESOSFERA
4. IONOSFERA
5. ESOSFERA
Non tutti gli strati hanno le stesse
concentrazioni di gas
Ad esempio:
 VAPORE ACQUEO:
presente quasi soltanto nella troposfera (strato più basso)
ed è praticamente assente nella termosfera e nell'esosfera
 ELIO e IDROGENO:
contenuto quasi tutto nella termosfera e nell'esosfera
 OZONO:
contenuto in massima parte nella stratosfera dove
costituisce un importante strato
1) TROPOSFERA
TROPOSFERA:
strato in cui si verificano quasi
tutti i fenomeni meteorologici,
contenente 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 media globale di 15 °C
al livello del mare, che diminuisce con
l'altitudine.
circa 0,65 °C ogni 100 m di
quota
fino a circa − 60 °C
nella TROPOPAUSA
- 60°C
L'aria degli strati più bassi, che tende a salire, genera grandi
correnti convettive da cui hanno origine venti equatoriali
costanti (ALISEI) e le perturbazioni atmosferiche
La troposfera ha uno spessore variabile a seconda della latitudine:
POLI: circa 8 km
EQUATORE: circa 17 Km
La pressione atmosferica decresce con l'altitudine secondo
una legge 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 a pressione e temperatura, diminuisce anche il
contenuto di vapore acqueo dell'aria.
Ad un certo punto la temperatura si stabilizza a −60 °C circa: è la
TROPOPAUSA, la zona di transizione fra troposfera e stratosfera.
La parola troposfera deriva dal greco "tropos" che significa variazione,
proprio perché all'interno di questa sfera troviamo i maggiori valori di
pressione e densità.
La troposfera è il luogo della vita: tutte le piante e tutti gli
esseri umani vivono in essa utilizzando alcuni dei gas che la
costituiscono.
2) STRATOSFERA
STRATOSFERA:
strato atmosferico che sta al di sopra
della troposfera ed arriva ad un'altezza
di 50-60 km.
Qui avviene un fenomeno chiamato
inversione termica: cioè, 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 (circa il 99%).
0°C
- 60°C
In alcuni punti (soprattutto sopra polo SUD)
dell'ozonosfera, lo strato di ozono si è assottigliato:
 fenomeno del BUCO nell'OZONO
al punto tale che non offre più un'efficace protezione ai
raggi ultravioletti (UV) che, in queste condizioni,
riescono a giungere a terra.
Questi raggi causano seri danni alle piante e a tutti gli esseri viventi.
I danni all'uomo possono essere tumori alla pelle e cecità, a causa di
danni irreversibili alla retina.
Il buco nell'ozono è stato riscontrato nella zona antartica.
Nella stratosfera i componenti si presentano sempre più rarefatti, il
vapore acqueo e il pulviscolo diminuiscono; esistono ancora alcuni rari
fenomeni meteorologici e certi particolari tipi di nubi (cirri).
3) MESOSFERA
MESOSFERA:
zona compresa tra 50 e 80 km di
quota, dove l'atmosfera non subisce più
l'influsso della superficie terrestre ed è
costante a tutte le latitudini.
Non ci sono più né venti o
correnti ascensionali, né nubi o
perturbazioni: l'aria è
completamente calma.
In queste condizioni i gas si stratificano
per diffusione e la composizione
chimica media dell'aria inizia a variare
a mano a mano che si sale.
- 80°C
0°C
- 60°C
La CO2 scompare rapidamente, il vapore acqueo ancora più in fretta e
anche la percentuale di ossigeno inizia a diminuire con la quota.
Aumentano le % di gas leggeri come elio e idrogeno
L'effetto riscaldante dell'ozono è terminato e la temperatura diminuisce
sempre più con la quota fino a stabilizzarsi al limite superiore della
mesosfera (−80 °C nella mesopausa)
In questo strato hanno origine le stelle cadenti, cioè i piccoli meteoriti
che di solito non riescono a raggiungere la superficie terrestre e
bruciano prima di raggiungere la Terra, lasciando scie luminose.
Oltre la mesopausa, alla quota di circa 100 km, l'aria è tanto rarefatta
da non opporre una resistenza tangibile al moto dei corpi, e diventa
possibile muoversi con il moto orbitale
Per questo motivo, in astronautica la mesopausa viene
considerata il confine con lo spazio.
4) IONOSFERA (TERMOSFERA)
IONOSFERA:
strato di atmosfera in cui i gas
atmosferici sono fortemente ionizzati:
è costituita dagli strati esterni
dell'atmosfera, esposti alla radiazione
solare diretta che strappa gli elettroni
dagli atomi e dalle molecole
(formando quindi IONI)
Contiene, nel suo insieme, una frazione
minima della massa gassosa
atmosferica, circa l'1% solamente
(è estremamente rarefatta), ma ha uno
spessore di alcune centinaia di
chilometri e assorbe buona parte delle
radiazioni ionizzanti provenienti dallo
spazio
1.700°C
- 80°C
0°C
- 60°C
La temperatura in questo strato sale con l'altitudine, per
l'irraggiamento solare, ed arriva ai 1.700 °C al suo limite
esterno.
Da qui anche il nome di TERMOSFERA
Ha una struttura a bande, divise durante il giorno dalla forte
radiazione solare che ionizza preferenzialmente gas diversi a
quote diverse: durante la notte alcune di queste bande si
fondono insieme, aumentando la riflettività
radio della ionosfera.
Al confine fra mesopausa e ionosfera hanno
luogo le aurore POLARI (boreali e australi)
La composizione chimica è ancora simile a quella media, con
una predominanza di azoto e ossigeno, ma cambia sempre
più con l'altitudine.
A circa 550 km di quota, questi 2 gas cessano di essere i
componenti principali dell'atmosfera, e vengono spodestati
da elio e idrogeno
La ionosfera riveste una grande importanza nelle
telecomunicazioni perché è in grado di riflettere le onde
radio, aiutandole a propagarsi oltre la portata visibile:
tra i 60 e gli 80 Km vengono riflesse le onde lunghe, tra i 90
e i 120 le onde medie, tra i 200 e i 250 le onde corte, tra i
400 e i 500 Km le onde cortissime.
AURORE POLARI
AURORE POLARI
4) ESOSFERA
ESOSFERA:
parte più esterna dell'atmosfera terrestre,
dove la composizione chimica cambia
radicalmente.
L'esosfera non ha un vero limite
superiore, arrivando a
comprendere anche le
fasce di Van Allen
I suoi costituenti sono idrogeno ed elio,
in maggioranza particelle del vento solare
catturate dalla magnetosfera terrestre.
Con metodi di osservazione indiretti e
calcoli teorici si ricava la temperatura
dell'esosfera che aumenta con l'altezza
fino a raggiungere (e anche superare) i
2.000 °C di temperatura cinetica
2.000°C
Come mai nello spazio fa
FREDDO?
Per rispondere a questa domanda dobbiamo
innanzitutto capire come si trasmette il CALORE
Il CALORE si trasmette in 3 modi:
1) per CONDUZIONE : avviene per contatto fra corpi solidi
2) per CONVEZIONE : avviene per movimento di masse
fluide (es. liquidi o gas densi)
3) per IRRAGGIAMENTO
Nel nostro caso possiamo eliminare il primo modo di
trasmettere il calore (CONDUZIONE), perché non siamo a
contatto con il sole, per cui rimangono gli altri 2
IRRAGGIAMENTO
L’ IRRAGGIAMENTO è il modo predominante con cui il sole
(e in genere una stella ) trasmette il calore
Questo metodo funziona bene, anzi troppo bene se ci
troviamo sulla strada della radiazione del sole senza una
qualsiasi protezione
Comunque se si è abbastanza lontani dal sole (poiché la
radiazione diminuisce con il quadrato della distanza ) allora anche
l'irraggiamento trasmette poco calore
Quindi l'irraggiamento , alla fine, è una fregatura perché
se ti metti all'ombra muori congelato e se ti metti
sotto il sole muori arrostito
In pratica è quello che accade sulla LUNA , dove non
c’è la presenza dell’ atmosfera ed i raggi del sole
arrivano senza “protezione”
(GIORNO: +150° circa / NOTTE: - 150° circa)
CONVEZIONE
La CONVEZIONE, invece, è importante per rispondere alla
nostra domanda iniziale
Quando il calore del sole colpisce un fluido (acqua o aria
specialmente se sono densi) questo provoca un riscaldamento e
un espansione del volume del fluido colpito dalla radiazione
solare che si trasmette attraverso il rimanente fluido.
Pensa all'acqua mentre si riscalda, diventa più leggera ….
dal fondo sale e riscalda tutto il liquido che si trova nella
pentola. In alto poi si raffredda, diventa più pesate,
ridiscende.. e poi ricomincia il ciclo.
Si chiamano moti CONVETTIVI
La convezione è la trasmissione di calore che più si
evidenzia sulla terra perché con il riscaldamento dell'aria il
calore si estende anche ai punti dove il sole non arriva
direttamente ….. ( pensa quando ci mettiamo all'ombra !! )
Conclusione il caldo sulla terra è dovuto essenzialmente al
riscaldamento dell'aria ( la famosa "Alta pressione ")
da parte del sole
Quando l'aria diventa rarefatta, come nella
ALTA ATMOSFERA (TERMOSFERA) allora la convezione non
funziona più bene:
i moti convettivi diventano piccoli e trasportano
poco calore quindi si sente freddo anche perché la
poca atmosfera presente è scarsa per la convezione
Ma, questa situazione (mancanza di aria), è ideale per
riscaldarsi con l'irraggiamento perché le molecole dell'aria ci
proteggono dalla radiazione diretta del sole (e a queste
altezze non ci sono !!!!)
Tuttavia alla fine dire che nello spazio faccia freddo è
improprio perché anche se figura una temperatura molto
bassa (tipo -120°C) quello è un valore che ha un senso
diverso da quello che avrebbe sulla terra.
Infatti non essendoci l'atmosfera di fatto nello spazio si
verifica una situazione in cui i corpi sono molto isolati
termicamente (non essendoci, come abbiamo visto, nè
conduzione nè convezione ma solo irraggiamento)
Inoltre è vero che salendo di altitudine la temperatura
diminuisce, ma questo vale fino ad una certa quota (circa
12-15.000m), poi risale nella stratosfera fino a tornare su
temperature simili a quelle al suolo (0-30°C).
Nella mesosfera diminuisce, poi nella termosfera cresce
ancora fino a raggiungere temperature diurne di 12001700°C attorno ai 200 km di quota
(circa le quote dove si aggirano ISS e Shuttle per capirci)
Anche queste temperature oltre una certa quota hanno un
significato un po' diverso, è una temperatura molecolare,
perchè la densità dell'aria diventa talmente bassa che la
temperatura perde un po' di significato
Il motivo per cui l'andamento è così altalenante è il fatto che
la temperatura aumenta dove c'è qualcosa che assorbe
energia, nei casi dell'atmosfera sono il suolo che si scalda
direttamente e scalda l'aria, poi l'ozono (OZONOSFERA) che
assorbe le radiazioni ultraviolette, e ancora più in alto la
ionosfera.
Il resto dell'atmosfera essendo "trasparente" non assorbe
energia, e la stessa cosa vale per "lo spazio", in cui non c'è
nemmeno l'aria
Quindi si capisce che il ragionamento dell'avvicinarsi ai raggi
solari non vale
FINE della LEZIONE N. 6
L’Atmosfera
Grazie per l’attenzione
E ricordatevi…!
… Considerate la vostra semenza
fatti non foste a viver come bruti
ma per seguir virtute e canoscenza…
DANTE ALIGHIERI
La Divina Commedia, INFERNO, canto XXVI, 118-120
Prof. CARMIGNANI Fabrizio
[email protected]
ww.fabriziocarmignani.com