L’atmosfera terrestre: composizione e struttura

L’atmosfera terrestre circonda il pianeta come un involucro la cui composizione chimica consta principalmente di ossigeno al 20,9 per cento, azoto al 78,1 per cento e argon al 0,9 per cento; il rimanente 0,1 per cento è composto di gas come l’anidride carbonica, il vapore d’acqua e l’ozono, che tuttavia di fatto sono quelli che determinano le caratteristiche fisiche dell’atmosfera e anche il suo grado di reattività. I gas principali, ossigeno, azoto e argon, in effetti hanno una scarsa o nulla capacità di reagire con altri composti e la composizione chimica rimane pressoché costante. La stessa cosa non si può dire per i componenti minori, la cui concentrazione varia con la quota, la latitudine e la stagione. Sovrapposte a queste variazioni possono esistere variazioni nella concentrazione dei gas dovute ad attività antropiche e naturali. Alcuni dei componenti minori dell’atmosfera terrestre, come l’anidride carbonica o il vapore d’acqua determinano di fatto l’effetto serra, mentre altri come l’ozono stratosferico proteggono la superficie della Terra dalla radiazione ultravioletta. La concentrazione della maggior parte dei gas minori sta cambiando e le ragioni della variazione nella concentrazione di questi gas vanno cercate quasi sempre in cause antropiche: nel caso dell’anidride carbonica è il consumo di combustibili fossili, nel caso del metano è la sua estrazione.

La struttura dell’atmosfera terrestre

L’atmosfera terrestre viene divisa in un certo numero di regioni in base ai processi che in queste si svolgono. La radiazione proveniente dal Sole viene in parte assorbita dall’atmosfera e in parte dal suolo. L’energia assorbita dalla superficie a sua volta scalda l’atmosfera dal basso innescando dei moti convettivi nella regione adiacente alla superficie: l’aria scaldata si solleva e salendo in quota si raffredda per cui nei primi 10-15 km di atmosfera assistiamo a una diminuzione costante della temperatura con la quota: questa regione viene detta troposfera ed è la sede dei fenomeni meteorologici cui siamo soggetti tutti i giorni.

Al di sopra di questa regione la temperatura è determinata fondamentalmente dall’assorbimento della radiazione ultravioletta da parte dell’ozono. Questo assorbimento e il riscaldamento conseguente raggiungono un massimo di circa 50 km di altezza e questa quota segna il limite superiore della stratosfera che si estende in basso fino ai limiti superiori della troposfera.

Queste sono le regioni che maggiormente interessano perché la troposfera contiene quasi il 90 per cento della massa atmosferica ed è pertanto la regione in cui si determina il clima. La stratosfera d’altro canto è la regione che contiene la maggior parte dell’ozono e quindi ha un’importanza legata alla presenza di questo gas.

La circolazione atmosferica

Sempre parlando dell’atmosfera terrestre, è importante sottolineare che nella troposfera generalmente la temperatura diminuisce verso i poli, mentre nella stratosfera le regioni equatoriali risultano generalmente più fredde rispetto a quelle polari, specialmente durante l’inverno. Nella troposfera quindi l’aria tende a muoversi naturalmente dall’equatore verso i poli con una tendenza a ridurre i gradienti di temperatura. Anche nella stratosfera la regione equatoriale tenderebbe a riscaldarsi ma in questo caso i movimenti dell’aria tendono a sottrarre calore da queste regioni e trasportarlo verso i poli.

Nella troposfera l’aria calda che si solleva dalle regioni equatoriali tende a spostarsi in quota verso i tropici, si raffredda e riprecipita a terra tornando verso l’equatore e generando una cella di circolazione conosciuta come cella di Hadley. Nei rami ascendenti di questa cella si ha condensazione del vapore d’acqua e quindi una notevole nuvolosità e piogge mentre nei rami discendenti ai tropici si ha compressione dell’aria e quindi delle zone permanenti di alta pressione dove raramente piove. Sotto queste regioni troviamo pertanto i maggiori deserti della Terra. Variazioni nell’intensità e disposizione della cella di Hadley possono essere alla base di variazioni climatiche anche notevoli e dello spostamento lento dei deserti.

Mentre la radiazione solare è in pratica tutta l’energia che riceviamo dal Sole, per radiazione terrestre intendiamo quella che viene emessa nell’infrarosso dalla superficie della Terra e dall’atmosfera terrestre. L’atmosfera assorbe la radiazione solare prevalentemente nel campo dell’ultravioletto UV a causa della presenza di ozono. L’ozono, quindi, ha la funzione di proteggerci dalla radiazione UV. La radiazione terrestre invece è assorbita principalmente dal vapore d’acqua, l’anidride carbonica e in misura minore dall’ozono e da altri gas di serra. Affinché l’atmosfera terrestre e la superficie terrestre abbiano una temperatura stazionaria, cioè che cambia stagionalmente, ma non ha tendenze a lungo termine, è necessario che in media tanta sia l’energia assorbita quanto quella emessa. È proprio l’alterazione della composizione atmosferica che può determinare delle alterazioni di questo bilancio e quindi raffreddamenti o riscaldamenti.