Tutti sanno che l’atmosfera è suddivisa in strati. Ma forse non tutti sanno che gli strati sono definiti in base alla variazione della temperatura al loro interno.
Capendo come e perché la temperatura cambia con l’altitudine, possiamo imparare molto di come funzionano l’atmosfera e i sui strati.
Vedremo inoltre che, nonostante il meteo si verifichi nella parte bassa dell’atmosfera, nelle parti più alte dell’atmosfera si manifestano altri fenomeni molto interessanti.
Introduciamo questo articolo con una domanda che è alla base di tutti i fenomeni atmosferici.
Perché l’aria calda sale?
La risposta a questa domanda è fondamentale per capire i fenomeni atmosferici e la suddivisione in strati dell’atmosfera. Le molecole di gas sono in grado di muoversi liberamente, e se non sono contenute possono occupare più o meno spazio in funzione della loro temperatura. Quando le molecole di gas sono fredde, sono lente e occupano poco spazio: la densità e la pressione dell’aria aumentano. Le molecole fredde tendono così a scendere. Quando invece le molecole di gas sono calde, si muovono vigorosamente e occupano più spazio, riducendo così la densità e la pressione dell’aria. Le molecole calde tendono così a salire.
Approfondimento: la convezione
L’aria più calda è più leggera dell’aria più fredda sopra di essa, e quindi sale. Allo stesso tempo, l’aria più fredda affonda, perché è più densa dell’aria sottostante.
Questo meccanismo è il principio alla base del fenomeno della convezione. La convezione succede allo steso modo quando si scalda l’aria di una stanza o l’acqua all’interno di una pentola.
Gli strati dell’atmosfera
Gli strati dell’atmosfera vengono definiti in base a come la temperatura cambia con l’altitudine al loro interno (cioè in base al loro gradiente di temperatura). Ogni strato è caratterizzato da un diverso gradiente di temperatura. In alcuni strati, la temperatura aumenta con l’altitudine, mentra in altri diminuisce. Importante notare che il gradiente di temperatura in ogni strato è generalmente determinato dalla fonte di calore dello strato.
Da notare che la proprietà che cambia in modo più sorprendente con l’altitudine è proprio la temperatura dell’aria. A differenza del cambiamento di pressione e densità, che normalmente diminuiscono con l’altitudine, i cambiamenti di temperatura dell’aria non sono regolari, come si può vedere nel disegno. La linea rossa nella immagine mostra la temperatura media attraverso gli strati dell’atmosfera. Anche se non indicate, le temperature nella termosfera continuano a salire, raggiungendo anche i 2.000°C.
1. Primo strato: la troposfera
La maggior parte dei processi più importanti dell’atmosfera avviene nei due strati più bassi: la troposfera e la stratosfera. La temperatura della troposfera è più alta vicino alla superficie della Terra e diminuisce con l’altitudine. In media, il gradiente di temperatura della troposfera è di 6,5 ºC ogni 1.000 m di altitudine.
Qual è la fonte di calore della troposfera?
La superficie terrestre è una delle principali fonti di calore per la troposfera, sebbene quasi tutto quel calore provenga dal Sole. La roccia, il suolo e l’acqua sulla Terra assorbono la luce del Sole e la irradiano nell’atmosfera sotto forma di calore. La temperatura è anche più alta vicino alla superficie a causa della maggiore densità dei gas. La maggiore gravità fa aumentare la temperatura.
A differenza di quanto succede in altri strati, nella troposfera l’aria più calda si trova sotto l’aria più fredda. Questa condizione è instabile. L’aria calda vicino alla superficie terrestre tende a salire e l’aria fredda più in alto nella troposfera tende a scendere. Quindi l’aria nella troposfera si mescola molto. Questa miscelazione fa sì che il gradiente di temperatura vari con il tempo e il luogo.
L’aumento e l’abbassamento dell’aria nella troposfera significa che quasi tutto il meteo del pianeta avviene nella troposfera.
Approfondimento: la tropopausa
Nella parte superiore della troposfera c’è infine uno strato sottile chiamato tropopausa in cui la temperatura non cambia con l’altezza. Ciò significa che l’aria più fredda e densa della troposfera è intrappolata sotto l’aria più calda e meno densa della stratosfera. L’aria della troposfera e della stratosfera raramente si mescolano.
Approfondimento: l’inversione termica della troposfera
A volte nella troposfera si verifica la codiddetta inversione termica, tipica di quando la temperatura dell’aria nella troposfera cresce con l’altitudine e l’aria calda finisce col trovarsi sopra l’aria fredda. Le inversioni termiche sono condizioni imolto stabili e possono durare diversi giorni o addirittura settimane.
In virtù della loro stabilità, le inversioni di temperatura spesso intrappolano gli inquinanti e producono condizioni atmosferiche malsane nelle città.
Le inversioni termiche si formano più frequentemente:
- sulla terraferma di notte o in inverno quando il terreno è freddo: il terreno freddo raffredda l’aria che si trova sopra di esso, rendendo questo strato basso di aria più denso dell’aria sopra di esso;
- vicino alla costa, dove l’acqua fredda del mare raffredda l’aria sopra di essa: quando quell’aria più densa si sposta verso l’entroterra, scivola sotto l’aria più calda sulla terraferma.
2. Secondo strato: la stratosfera
Questa fotografia è stata scattata dallo spazio. Lo strato arancione è la troposfera, dove vengono generati e contenuti tutti i fenomeni meteorologici e le nuvole che normalmente osserviamo e sperimentiamo. Questo strato arancione cede il passo alla stratosfera di colore più biancastro. Cenere e gas di una grande eruzione vulcanica possono esplodere nella stratosfera, lo strato sopra la troposfera. Una volta nella stratosfera, rimangono sospesi lì per molti anni per la poca miscelazione tra i due strati. I piloti amano volare nelle parti inferiori della stratosfera perché c’è poca turbolenza d’aria. Nella stratosfera, la temperatura aumenta con l’altitudine.
Qual è la fonte di calore della stratosfera?
La fonte di calore diretta per la stratosfera è il Sole. L’aria nella stratosfera è stabile perché l’aria più calda e meno densa si trova sopra l’aria più fredda e densa. Di conseguenza, c’è poca miscelazione di aria all’interno dello strato. Nella stratisfera si trova lo stato di ozono, lo scudo naturale che ci protegge dai pericolosi raggi ultravioletti del Sole.
Approfondimento: lo strato di ozono
Lo strato di ozono si trova nella stratosfera oltre 20 e 30 km di altitudine. Lo spessore dello strato di ozono varia a seconda della stagione e anche della latitudine. Lo strato di ozono è estremamente importante perché il gas ozono nella stratosfera assorbe la maggior parte delle radiazioni ultraviolette (UV) nocive del sole. Per questo motivo, lo strato di ozono protegge la vita sulla Terra. La luce UV ad alta energia penetra nelle cellule e danneggia il DNA, portando alla morte cellulare (che noi conosciamo come una brutta scottatura solare).
Gli organismi sulla Terra non sono adattati alla forte esposizione ai raggi UV, che li uccide o li danneggia. Senza lo strato di ozono per riflettere le radiazioni UVC e UVB, la maggior parte della vita complessa sulla Terra non sopravvivrebbe a lungo.
3. La mesosfera
Le temperature nella mesosfera diminuiscono con l’altitudine.
Qual è la fonte di calore della mesosfera?
Poiché ci sono poche molecole di gas nella mesosfera che assorbono la radiazione solare, la fonte di calore è la stratosfera sottostante. La mesosfera è estremamente fredda, specialmente nella sua parte superiore, circa -90°C.
L’aria nella mesosfera ha una densità estremamente bassa: il 99,9 percento della massa dell’atmosfera si trova al di sotto della mesosfera. Di conseguenza, la pressione atmosferica è molto bassa. Una persona che viaggia attraverso la mesosfera subirebbe gravi ustioni da luce ultravioletta poiché lo strato di ozono che fornisce protezione UV si trova nella stratosfera sottostante. Inoltre non ci sarebbe quasi ossigeno per respirare. Ancora più strano, il sangue di un viaggiatore non protetto bollirebbe alla normale temperatura corporea perché la pressione è così bassa.
4. La termosfera
Sopra la mesosfera troviamo la termosfera.
Qual è la fonte di calore della termosfera?
Nella termosfera la temperatura aumenta significativamente a causa dell’assorbimento dell’energia solare, che è la sua fonte di calore. Le temperature sfiorano i 2.000°C.
All’interno della termosfera si trova poi la ionosfera. La ionosfera prende il nome dalla radiazione solare che ionizza le molecole di gas per creare uno ione caricato positivamente e uno o più elettroni caricati negativamente. Gli elettroni liberati viaggiano all’interno della ionosfera come correnti elettriche.
È la regione dove orbitano la Stazione Spaziale Internazionale e molti satelliti, ed è influenzata dall’attività solare. Nella termosfera si trovano inoltre le aurore polari e le Fasce di van Allen.
Approfondimento: la ionosfera
A causa degli ioni liberi, la ionosfera ha molte caratteristiche interessanti. Di notte, le onde radio rimbalzano contro la ionosfera e tornano sulla Terra. Ecco perché spesso puoi captare una stazione radio AM lontana dalla sua sorgente di notte.
Approfondimento: le aurore polari
Il fenomeno delle aurore polari deriva dalla interazione delle particelle solari con i gas atmosferici. Ha una forma sinuosa a nastro che si separa in punti discreti vicino all’angolo inferiore destro dell’immagine. Mentre la colorazione dominante dell’aurora è il verde, ci sono deboli accenni di rosso a sinistra del centro dell’immagine. Una fitta coltre di nubi è appena visibile sotto l’aurora. La densità delle molecole è così bassa nella termosfera che una molecola di gas può percorrere circa 1 km prima di scontrarsi con un’altra molecola.
Approfondimento: le fasce di van Allen
Le fasce di radiazione di Van Allen sono due zone a forma di ciambella di particelle altamente cariche che si trovano oltre l’atmosfera nella magnetosfera . Le particelle hanno origine nei brillamenti solari e volano verso la Terra sul vento solare. Una volta intrappolate dal campo magnetico terrestre, seguono le linee di forza magnetiche del campo.
Queste linee si estendono da sopra l’equatore al Polo Nord e anche al Polo Sud, quindi tornano all’equatore. Quando le massicce tempeste solari causano il sovraccarico di particelle nelle fasce di Van Allen, il risultato è la caratteristica più spettacolare della ionosfera: l’ aurora notturna . Le particelle si muovono a spirale lungo le linee del campo magnetico verso i poli. Le particelle cariche energizzano le molecole di gas di ossigeno e azoto, facendole illuminare. Ogni gas emette un particolare colore di luce.
5. L’esosfera
L’esosfera è lo strato più esterno dell’atmosfera. Non esiste un limite esterno esatto dell’esosfera: le molecole di gas alla fine diventano così scarse che a un certo punto non ce ne sono più. Nell’esosfera non avvengono fenomeni atmosferici perché i gas sono così rarefattiche non ci sono abbastanza particelle per generer generare qualuneue forma di attività atmosferica.
Il vento solare
Al di fuori dell’atmosfera c’è infine il vento solare. Il vento solare è fatto di particelle ad alta velocità, per lo più protoni ed elettroni, che viaggiano rapidamente verso l’esterno dal Sole.