Atmosfera

L’atmosfera è una miscela di gas di composizione variabile, detta omosfera (o bassa atmosfera) al di sotto dei 100 km di altezza ed eterosfera (o alta atmosfera) al di sopra.

Composizione chimica. Nella bassa atmosfera i componenti principali dell’aria secca sono: l’azoto per il 78 % (in volume), l’ossigeno per il 21 %,i gas nobili (principalmente l’argon, poi neon, elio, cripton e xeno)per lo 0,94%,l’anidride carbonica per lo 0,03%. È presente inoltre una percentuale variabile di vapore acqueo,fondamentale per l’equilibrio termico e idrico del pianeta,e del pulviscolo.
Nell’alta atmosfera tra i 100 e 200 km di quota predomina l’azoto molecolare; tra i 200 e i 1100 km l’ossigeno allo stato monoatomico,tra i 1100 e i 3000 l’elio,al di sopra dei 3000km di quota si trova solo idrogeno atomico.

Struttura a strati dell’atmosfera. L’atmosfera è costituita da strati sovrapposti, di densità decrescente e con temperatura e composizione differenti, detti sfere, delimitati da zone di transizione,dette pause.

La troposfera è lo strato più basso (0-10 km) e più denso,ospita la quasi totalità del vapore acqueo ed è sede delle perturbazioni metereologi che; la temperatura diminuisce in media di 0,6 °C ogni 100 m di quota (gradiente termico verticale).

La stratosfera ha composizione simile alla troposfera, ma è più rarefatta e povera di vapore acqueo e pulviscolo. La temperatura aumenta grazie alla formazione dell’ozono (O3), che assorbe i raggi ultravioletti e va a costituire uno strato, detto ozonosfera, tra i 30 e i 60 km di quota.

La mesosfera è caratterizzata da una notevole e crescente rarefazione dei gas; la temperatura raggiunge valori minimi intorno agli 80 km di quota.

Nella termosfera le proporzioni tra gli elementi gassosi sono molto diverse rispetto agli strati inferiori,mentre la densità continua a decrescere e la temperatura (cinetica) sale. Al di sopra dei 60-70 km di altezza dal suolo, le radiazioni solari ad alta frequenza provocano la ionizzazione dei gas atmosferici (ionosfera) che riflettono le onde radio.

Nell’esosfera la temperatura continua ad aumentare con la quota, e la densità raggiunge valori minimi. I gas ionizzati si dispongono lungo le linee di forza del campo magnetico terrestre (formando così la magnetosfera) e interagendo con il vento solare.

Bilancio termico. Dall’energia irradiata dal sole la terra riceve, su ogni cm2 di superficie perpendicolare alla direzione della radiazione, circa 2 calorie al minuto (costante solare). Di questa energia, i gas dell’atmosfera e le nubi assorbono il 18 % e riflettono il 31% nello spazio. La superficie terrestre a sua volta ne riflette una piccola parte (il 4%),per cui la radiazione effettiva assorbita ammonta al 47% della radiazione solare originaria ed è il vero motore del sistema terra-atmosfera.
La differenza tra il contenuto energetico della radiazione solare incidente e quello della radiazione terrestre riflessa costituisce il bilancio termico (o bilancio radiativo) del nostro pianeta.
Il valore del bilancio termico globale della terra è nullo,però,per brevi periodi di tempo o zone limitate di superficie terrestre,il bilancio può essere negativo o positivo.

Temperatura dell’aria. A scaldare l’aria è soprattutto l’energia termica emessa dalla superficie terrestre, che assorbe radiazioni a onde corte e le converte in radiazioni con lunghezza d’onda maggiore,che l’atmosfera a sua volta riflette verso la superficie terrestre (effetto serra).
La temperatura dell’aria in funzione dell’angolo d’incidenza dei raggi solari (quindi con la latitudine e le stagioni),dell’altitudine,della presenza di bacini marini o lacustri (l’acqua possiede un elevato calore specifico),del tipo di terreno e di copertura vegetale, dell’esposizione del versante, dell’umidità atmosferica,del pulviscolo, della copertura nuvolosa, e dell’urbanizzazione.

Pressione atmosferica. È il peso esercitato sull’unità di superficie terrestre dalla colonna d’aria soprastante: si misura in atmosfera (1 atm=760 mmHg), Pascal (Pa) o millibar (mb).
Un aumento di temperatura provoca una diminuzione della pressione e così pure l’aumento dell’altitudine; all’aumentare dell’umidità la pressione invece diminuisce per la minore massa molecolare dell’acqua.
Sulla carta delle isobare vengono tracciate le linee che uniscono i punti con uguale pressione e che delimitano delle zone concentriche in cui la pressioni può diminuire (aree cicloniche) o accrescersi (aree anticicloniche). Esistono particolari configurazioni isobariche (seccature,cunei,pendii).

Vento. I venti sono masse d’aria in movimento, che si spostano da zone ad alta pressione verso zone a bassa pressione perché belle prime, l’aria densa, tende a scendere da quote superiori e nelle seconde, più leggera, tende a salire in quota. La velocità del vento si esprime in km/h, m/s o nodi ed è determinata dal gradiente barico. La direzione dipende dal gradiente barico, dall’effetto di Coriolis e dall’attrito con il suolo. In seguito all’effetto di Coriolis, nel nostro emisfero i venti escono dalle aree anticicloniche ruotando in senso orario, e convergono verso le zone cicloniche ruotando in senso antiorario. L’attrito diminuisce al crescere della quota, e si oppone alla forza di Coriolis, per cui i venti di bassa quota spirano quindi obliquamente rispetto alle isobare,quelli d’alta quota spirano parallelamente alle isobare (venti geostrofici). Esistono venti planetari su grande scala,venti regionali periodici e venti locali.

Circolazione atmosferica generale. Distinguiamo tra circolazione nella bassa troposfera e circolazione nell’alta troposfera. Nella bassa troposfera individuiamo una zona di basse pressioni equatoriali,due fasce di alte pressioni subtropicali,due fasce di basse pressioni subpolari, e due di alte pressioni polari.

Dalle zone di alte pressioni subtropicali spirano due sistemi di venti: gli alisei (diretto verso l’equatore da Nord-Est nell’emisfero boreale e da Sud-Est in quello australe) e i venti occidentali (da Sud-Ovest verso Nord-Est nell’emisfero boreale e da Nord-Ovest verso Sud-Est nell’emisfero australe).

Nelle zone di basse pressioni subpolari convergono anche i freddi venti orientali polari, che hanno origine dalle zone di alte pressioni polari.
Questo accade perché si formano alcune cellule convettive (la cellula di Hadley, con l’ascesa di aria calda e umida equatoriale, la discesa di aria alle basse pressioni subpolari, la discesa nelle fasce tropicali e i venti occidentali). Questa interpretazione è oggi messa in discussione perché non è confermata dalla circolazione in quota.
Nella circolazione nell’alta troposfera si distinguono le correnti occidentali che spirano, da Ovest a Est lungo i paralleli (circolazione zonale), nelle zone temperate dei due emisferi e le correnti orientali nella fascia intertropicale.

Le correnti a getto (subtropicale e polare) viaggiano da Ovest a Est a velocità che raggiungono i 500 km/h, con variazioni cicliche da un andamento quasi rettilineo a uno ondeggiante, sino a formare zone di circolazione ciclonica o anticiclonica. I fenomeni meteorologici dipendono, probabilmente, dal comportamento delle suddette correnti d’alta quota.

Venti periodici. I monsoni sono imponenti venti regionali a carattere stagionale che spirano dall’Oceano Indiano (area di alta pressione) verso il continente asiatico (area di bassa pressione), in estate, e dal continente (alta pressione) verso l’oceano (bassa pressione), in inverno. I monsoni estivi scaricano piogge torrenziali su India e Indocina, i monsoni invernali sono freddi e secchi.
Le brezze costiere sono venti periodici locali, che spirano durante il dì(brezza di mare), dal mare (alta pressione) alla costa (bassa pressione) e dalla costa (alta pressione) verso il mare (bassa pressione) durante la notte (brezza di terra). Un fenomeno analogo si verifica, soprattutto in estate, nelle regioni montuose dove spirano le brezze di valle e le brezze di monte.

Venti locali nel bacino del Mediterraneo. Venti caldi e umidi sono il libeccio, proveniente dall’Africa nord-occidentale, e lo scirocco, proveniente dal Sahara egiziano. La tramontana (da Nord) e il maestrale (o mistral, da Nord-Ovest) sono venti freddi e secchi.
La bora spira violenta sul Friuli-Venezia Giulia, e il fohn intiepidisce il clima delle regioni su cui soffia(zone prealpine e alta Pianura Padana).

Umidità atmosferica. Si origina dall’evaporazione continua dei bacini oceanici e dalla traspirazione delle piante. L’umidità assoluta è la quantità di vapore acqueo, espressa in grammi, contenuta in un m3 d’aria. La quantità massima di vapore acqueo che un volume unitario d’aria può contenere a una data temperatura costituisce il limite di saturazione.
L’umidità relativa è il rapporto tra la quantità di vapore acqueo effettivamente presente in un campione d’aria e la massima quantità che potrebbe esservi contenuta a quella temperatura.
L’umidità relativa varia sostanzialmente con la latitudine,con le stagioni e,in misura minore, con l’altitudine.