Le caratteristiche dell'atmosfera ed il suo riscaldamento

La composizione dell'atmosfera

L'atmosfera è l'involucro di gas che avvolge la Terra e che viene trattenuto dalla forza di gravità. I gas che compongono l'atmosfera sono diversi e vengono indicati come aria:

l'azoto costituisce il componente principale dell'aria e la sua concentrazione è di circa il $78\%$ ;
l'ossigeno rappresenta il $21\%$ dell'aria ed è fondamentale per la respirazione degli organismi;
l'argon è presente circa allo $0,9\%$ ed è un gas inerte;
l'anidride carbonica rappresenta circa lo $0,04\%$ dell'aria ed è molto importante per la regolazione della temperatura dell'atmosfera;
l'aria contiene anche il vapore acqueo. La percentuale di vapore acqueo nell'aria è variabile, deriva soprattutto dall'evaporazione degli oceani e dei mari ed è detta umidità.

Nell'aria è presente anche il pulviscolo atmosferico. Si tratta di polveri finissime che possono provenire dalla superficie terrestre (eruzioni vulcaniche, attività umane), ma anche dallo spazio.

La struttura dell'atmosfera

La composizione dell'aria è costante nei primi $100 \space \text{km}$ anche se diventa più rarefatta cioè meno densa all'aumentare della quota. L'atmosfera non ha confini precisi ma può essere suddivisa in strati che hanno delle caratteristiche differenti chiamate sfere:

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la troposfera (A) è lo strato più vicino alla superficie terrestre. Si estende fino a circa $15 \space \text{km}$ di quota. Contiene circa il $75 \%$ di tutti i gas presenti nell'atmosfera. Qui avvengono tutti i fenomeni atmosferici, e la temperatura diminuisce con la quota di circa $6°C$ ogni $1000$ metri;
la stratosfera (B) si colloca tra circa $15 \space \text{km}$ e $50 \space \text{km}$ di quota. La stratosfera contiene uno strato di ozono un gas che assorbe le radiazioni ultraviolette proveniente dal Sole. La temperatura della stratosfera aumenta con l'aumentare della quota;
la mesosfera (C) si estende da $50 \space \text{km}$ a circa $90 \space \text{km}$ di quota. I gas nella mesosfera sono rarefatti e parzialmente ionizzati. Aumentano la quantità di gas leggeri come idrogeno ed elio e si osserva una sostanziale diminuzione della temperatura con l'aumentare della quota;
la termosfera (D) si estende da $90 \space \text{km}$ a circa $900 \space \text{km}$ . Nella termosfera i gas sono molto ionizzati tanto che viene indicata con il nome di ionosfera. In questa sfera si verificano le aurore polari (J) che avvengono quando i gas della termosfera reagiscono con le particelle provenienti dal Sole;
l'esosfera (E) è lo strato più esterno e si estende sopra la termosfera fino ad un limite convenzionale di circa $2500 \space \text{km}$ , oltre il quale le particelle atmosferiche sfuggono alla forza di gravità della Terra e si disperdono nello spazio. L'esosfera è composta quasi esclusivamente da idrogeno ed elio.

I diversi strati dell'atmosfera sono separati da zone di transizione più sottili di spessore variabile, dette rispettivamente tropopausa (F), stratopausa (G), mesopausa (H), termopausa (I) e frangia dell'atmosfera (K), che costituisce il limite esterno dell'esosfera.

Il riscaldamento dell'atmosfera

Il Sole emette energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. Solo il $49\%$ dell'energia solare che raggiunge la Terra viene assorbita dalla superficie terrestre (1), la parte restante viene riflessa o assorbita dai vari strati dell'atmosfera stessa (2). La superficie terrestre assorbe queste radiazioni e si scalda. Scaldandosi emette a sua volta delle radiazioni (3) che hanno una lunghezza d'onda maggiore di quelle provenienti dal Sole, cioè hanno un'energia minore, e non riescono ad attraversare l'atmosfera, ma sono rimandate indietro verso la superficie terrestre. Questo fenomeno dell'atmosfera viene chiamato effetto serra.

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I gas responsabili dell'assorbimento del calore emesso dalla Terra sono principalmente l'anidride carbonica e il vapore acqueo, i cosiddetti gas serra. Questo fenomeno è molto importante per la vita sulla Terra, senza questi gas, infatti, la temperatura terrestre sarebbe molto inferiore. Le attività antropiche producono grandi quantità di gas serra con gravi conseguenze sul riscaldamento dell'atmosfera.

Fattori che determinano la temperatura dell'aria

La temperatura dell'aria a livello locale dipende da diversi fattori che si combinano tra loro:

la temperatura dell'aria diminuisce con l'altitudine. Più si sale di quota più la temperatura diminuisce;
la temperatura dell'aria dipende dall'inclinazione dei raggi solari rispetto la superficie della Terra. A causa dell'inclinazione dell'asse terrestre rispetto al piano dell'ellittica, i raggi solari hanno un'inclinazione maggiore man mano che ci si allontana dall'equatore. Nelle zone in cui l'inclinazione è maggiore, minore è la temperatura dell'aria;
la temperatura dell'aria dipende anche dall'ora del giorno, cioè dalla posizione della Terra rispetto al Sole nell'arco della giornata;
un altro fattore che influenza la temperatura dell'aria è la disposizione del terreno. A seconda del versante o dell'esposizione, la temperatura dell'aria è diversa. Ad esempio nell'emisfero Nord, i versanti delle montagne esposti a Sud ricevono raggi meno inclinati e si riscaldano maggiormente di quelli esposti a Nord;
un altro fattore che influenza la temperatura dell'aria è la distribuzione delle terre emerse e dei mari. I mari infatti si riscaldano e si raffreddano più lentamente delle rocce e quindi influenzano la temperatura delle zone circostanti, riducendo le escursioni termiche;
la temperatura dell'aria dipende inoltre dalla vegetazione. Le piante assorbono molta energia solare per effettuare la fotosintesi clorofilliana, e quindi solo una parte della radiazione solare raggiunge il suolo.