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Il clima

La suddivisione dell'atmosfera

In base all'andamento della temperatura con l'aumentare della quota, lo spessore dell'atmosfera viene suddiviso in cinque strati, che andando dal basso verso l'alto sono: la troposfera, la stratosfera, la mesosfera, la termosfera e l'esosfera; il passaggio da uno strato all'altro avviene attraverso sottili "fasce di transizione", dette rispettivamente tropopausa, stratopausa, mesopausa e termopausa (fig. 17.1).

La troposfera

La troposfera (dal greco trópos, rivolgimento, mutamento) è lo strato più basso dell'atmosfera e si estende fino a circa 10-18 km dal suolo (lo spessore varia con la latitudine: è minore ai poli e maggiore all'Equatore). In essa si concentrano i 3/4 della massa dell'intera atmosfera e quasi tutto il vapore acqueo atmosferico e inoltre hanno sede i fenomeni meteorologici e anche i principali cicli biogeochimici che consentono gli scambi circolari di elementi e composti essenziali alla vita tra l'ambiente fisico e l'insieme degli esseri viventi (biosfera).

Le caratteristiche fondamentali della troposfera sono così riassumibili:

  • costanza della composizione chimica, dovuta ai moti orizzontali e verticali dell'aria, che assicurano il continuo rimescolamento dei gas costituenti;
  • diminuzione della temperatura con l'altezza, dovuta al fatto che l'atmosfera è riscaldata dal calore emesso dalla superficie terrestre. A livello del suolo la temperatura media annua è di 15 °C; mediamente, la diminuzione di temperatura avviene secondo un gradiente di 6,5 °C/km (gradiente geotermico verticale);
  • diminuzione della pressione atmosferica con l'aumentare dell'altezza, dovuta al fatto che, andando verso l'alto, l'altezza della colonna d'aria sovrastante diventa via via minore (inoltre, negli strati superiori l'atmosfera è sempre più rarefatta);
  • presenza della quasi totalità dell'acqua contenuta nell'atmosfera; il vapore acqueo contenuto nella troposfera proviene dall'evaporazione degli oceani e delle acque continentali, oltre che dalla traspirazione degli organismi viventi, e si concentra nei primi 4 km di altitudine (dove ne sono presenti circa i tre quarti).

La fascia di transizione tra troposfera e stratosfera è la tropopausa, caratterizzata dalla presenza di correnti aeree ad alta velocità (200-300 km/h), dette correnti a getto, veri e propri "fiumi d'aria" che si spostano stagionalmente in latitudine e in altezza e che talvolta circondano come un'unica fascia tutto il globo.

La stratosfera

Si estende da 10-18 a 45 km di quota. Nella stratosfera la temperatura resta inizialmente quasi costante a circa – 55 °C sino a 20 km di altezza, poi risale lentamente fino a 0 °C al suo limite superiore, dove inizia la stratopausa, che separa la stratosfera dalla mesosfera.

Il vapore acqueo è molto scarso, ma non totalmente assente: infatti, talvolta si possono osservare, tra i 20 e i 30 km, nubi sorprendentemente iridescenti, o madreperlacee.

L'innalzamento della temperatura nell'alta stratosfera, tra i 17 e i 45 km, è dovuto sostanzialmente alla presenza di ozono, la cui molecola è formata da tre atomi di ossigeno, ossigeno triatomico (O3), e che raggiunge la sua massima concentrazione in uno strato compreso tra 20 e 30 km a cui si dà il nome di ozonosfera . Questo strato è molto importante per tutti gli organismi viventi, in quanto l'ozono assorbe quasi completamente la porzione più pericolosa per gli organismi viventi dei raggi ultravioletti solari. La decomposizione che subisce l'ozono per azione dei raggi ultravioletti è associata a sviluppo di calore e ciò spiega il rapido aumento della temperatura nella stratosfera.

La mesosfera

Si estende da 45 a 95 km di quota ed è caratterizzata da una forte diminuzione di temperatura che, al limite superiore, raggiunge valori compresi tra i – 70 e i – 90 °C. Nella mesosfera, per attrito, si incendiano le meteoriti provenienti dallo spazio, che formano scie luminose, chiamate popolarmente stelle cadenti.

Nella mesosfera inizia una fascia caratterizzata dalla presenza di particelle dotate di cariche elettriche (ioni), detta ionosfera, che si estende tra gli 80 e i 500 km di quota (e che sconfina quindi nella termosfera): gli ioni si formano per azione di radiazioni provenienti dallo spazio (raggi cosmici) sui gas atmosferici.

Con la mesopausa, che segna il confine tra mesosfera e termosfera, cessa la diminuzione di temperatura e si ha un'inversione di tendenza molto marcata.

La termosfera

Si estende da 95 a 500 km ed è così chiamata poiché la temperatura riprende ad aumentare, raggiungendo i 1000 °C a 300 km e valori straordinariamente elevati a quote maggiori (i valori di temperatura vanno intesi come misura dell'energia cinetica assai elevata delle poche molecole gassose presenti a quelle quote).

I gas sono ionizzati o allo stato atomico; mancano completamente diossido di carbonio, vapore acqueo e ozono.

Nella termosfera si verificano importanti fenomeni elettrici e geomagnetici, tra cui le aurore polari: si tratta di fenomeni luminosi, che si manifestano con maggior frequenza nelle zone polari, sotto forma di archi e raggi multicolori che cambiano rapidamente forma e colore e si originano quando elettroni e protoni provenienti dal Sole colpiscono ad alta velocità le particelle ionizzate presenti nell'alta atmosfera terrestre.

La termosfera è sede degli strati ionizzati a maggior densità elettronica della ionosfera. Questi strati ionizzati riflettono le onde radio (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 le onde cortissime).

Lo strato di separazione tra termosfera ed esosfera è chiamato termopausa; in esso termina l'aumento di temperatura.

L'esosfera

È la zona al di sopra dei 500 km, nella quale la temperatura si considera costante. Al di sopra della termosfera, si possono verificare fughe di particelle dell'atmosfera verso lo spazio esterno; essa rappresenta una fascia di transizione in cui si mescolano particelle provenienti dalla Terra con altre di provenienza solare. Fa da confine con il vuoto cosmico e per l'estrema e progressiva rarefazione non è possibile stabilire con precisione un limite superiore.

Inoltre, la zona che si estende al di sopra dei 500 km di quota viene anche chiamata magnetosfera: è la zona in cui gli ioni sono così rari da avere scarsissime possibilità di urtarsi, per cui la loro vita media è sufficientemente lunga da risentire gli effetti del campo magnetico terrestre; la magnetosfera interagisce con il vento solare, che la comprime conferendole una caratteristica forma a goccia.

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