1. Che cos'è l'Atmosfera e la sua Composizione Chimica
L'atmosfera è l'involucro gassoso che circonda la Terra, trattenuto dalla forza di gravità del pianeta. Svolge un ruolo biologico e climatico fondamentale: filtra le radiazioni solari nocive, modera la temperatura superficiale tramite l'effetto serra e contiene i gas indispensabili per la vita (come l'ossigeno e l'anidride carbonica).
Fino a un'altitudine di circa \(80-100 \text{ km}\) (regione nota come omosphera o omosfera), la composizione chimica dell'aria secca al suolo è estremamente omogenea ed è costituita principalmente da:
- Azoto (\(N_2\)): Circa il \(78.08\%\) in volume. È un gas chimicamente poco reattivo ma essenziale per i cicli biologici.
- Ossigeno (\(O_2\)): Circa il \(20.95\%\) in volume. Indispensabile per la respirazione cellulare e la combustione.
- Argo (\(Ar\)): Circa lo \(0.93\%\), un gas nobile inerte.
- Anidride carbonica (\(CO_2\)): Circa lo \(0.04\%\), fondamentale per la fotosintesi clorofilliana e per regolare l'effetto serra naturale.
- Tracce di gas nobili (elio, neon, kripton, xeno), vapore acqueo (\(H_2O\), variabile dallo \(0\%\) al \(4\%\)) e aerosol atmosferici (pulviscolo, pollini, cristalli di sale).
2. La Stratificazione Termica dell'Atmosfera
In base all'andamento della temperatura all'aumentare della quota, l'atmosfera viene suddivisa verticalmente in quattro sfere principali, separate da zone di transizione denominate tropopause, stratopause e mesopause:
- 1. Troposfera (da \(0\) a \(12-16 \text{ km}\)): È lo strato inferiore, a contatto con la superficie terrestre, in cui si concentra circa l'\(80\%\) della massa totale dell'aria e quasi tutto il vapore acqueo. Qui si verificano i fenomeni meteorologici. La temperatura diminuisce con l'altitudine (gradiente termico verticale di circa \(6.5^\circ\text{C}\) ogni \(1000 \text{ m}\)).
- 2. Stratosfera (da \(12-16 \text{ km}\) a \(50 \text{ km}\)): Caratterizzata da una forte stabilità verticale e assenza di moti turbolenti. La temperatura aumenta con la quota a causa dell'assorbimento delle radiazioni ultraviolette solari da parte dello strato di ozono (\(O_3\)), concentrato nella cosiddetta ozonosfera.
- 3. Mesosfera (da \(50 \text{ km}\) a \(80-85 \text{ km}\)): In questo strato la temperatura torna a diminuire drasticamente con la quota, raggiungendo i valori minimi di tutta l'atmosfera (fino a \(-90^\circ\text{C}\)). È la zona in cui si incendiano le meteore (stelle cadenti).
- 4. Termosfera o Ionosfera (da \(85 \text{ km}\) a oltre \(500 \text{ km}\)): La temperatura torna ad aumentare vertiginosamente a causa dell'assorbimento dei raggi X e UV estremi del Sole da parte dei gas ionizzati. In questa regione si formano le aurore boreali.
La pressione atmosferica (\(P\)) rappresenta il peso della colonna d'aria sovrastante per unità di superficie. Poiché la densità dell'aria diminuisce esponenzialmente con l'altezza, la pressione decresce rapidamente all'aumentare della quota secondo la legge di diminuzione barometrica. Al livello del mare la pressione standard vale: $$1 \text{ atm} = 1013.25 \text{ hPa} = 760 \text{ mmHg}$$ Circa la metà della massa gassosa totale dell'atmosfera è compressa nei primi \(5.5 \text{ km}\) di altezza.
📝 Esercizio Svolto: Calcolo della Temperatura in Troposfera
Sapendo che al livello del mare (quota \(0 \text{ m}\)) la temperatura dell'aria è di \(+20^\circ\text{C}\) e considerando un gradiente termico verticale medio di \(0.65^\circ\text{C}\) ogni \(100 \text{ m}\), calcolare la temperatura stimata alla quota di \(3000 \text{ m}\) all'interno della troposfera.
Svolgimento analitico:
- Calcolo del dislivello in centinaia di metri: $$\text{Numero di ettometri} = \frac{3000 \text{ m}}{100 \text{ m}} = 30$$
- Calcolo della diminuzione complessiva di temperatura: $$\Delta T = 30 \cdot 0.65^\circ\text{C} = 19.5^\circ\text{C}$$
- Determinazione della temperatura alla quota data: $$T_{3000} = 20^\circ\text{C} - 19.5^\circ\text{C} = +0.5^\circ\text{C}$$
🎯 Conclusione: Alla quota di \(3000 \text{ metri}\), la temperatura stimata sarà di \(+0.5^\circ\text{C}\).