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L`atmosfera
B1 - LA SFERA DELL'ARIA - Incontro con le scienze integrate - Zanichelli
1. Le sfere della Terra
Vista dallo spazio, la Terra appare come una sfera di colore prevalentemente azzurro, velata dai sistemi
nuvolosi. Su di essa le macchie brune dei continenti compaiono e scompaiono tra le nubi in movimento. Il bianco
delle nubi, l'azzurro delle acque, le chiazze brune dei continenti fanno parte delle "sfere" che formano gli
involucri esterni della Terra: le sfere delle rocce, dell'acqua e dell'aria.
•
La "sfera delle rocce", o litosfera (dal greco lithos, pietra), è il guscio roccioso, di spessore variabile, che
costituisce l'involucro esterno della Terra e la cui parte più superficiale è chiamata crosta. Anche gli altri
pianeti rocciosi hanno un guscio roccioso rigido. Nel loro caso, però, non presenta fratture. Nel caso del
nostro pianeta, invece, la litosfera è frammentata in un mosaico di pezzi, o placche, in movimento le une
rispetto alle altre.
All'esterno della sfera delle rocce si concentrano i materiali più leggeri, disposti in quegli strati sottili di acqua e di
aria che costituiscono la "sfera delle acque" e la "sfera dell'aria".
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La "sfera delle acque", o idrosfera (dal greco hydros, acqua), è formata dalle acque salate degli oceani e da
quelle dolci dei continenti (laghi, fiumi ecc.). Allo stato attuale delle conoscenze, nessun altro pianeta
possiede acqua allo stato liquido in così grande quantità.
•
La "sfera dell'aria", o atmosfera (dal greco atmós, vapore), è l'involucro di gas che circonda interamente la
Terra. Si tratta di un miscuglio di gas composto per circa quattro quinti da azoto e per un quinto da ossigeno,
più, in quantità molto piccole, da vari altri gas. di cui il più importante è l'anidride carbonica.
L'atmosfera terrestre ha una composizione unica, in particolare per l'alta concentrazione di ossigeno.
Litosfera, idrosfera e atmosfera non vanno considerate come involucri separati. Esse, infatti, interagiscono con
continui scambi di materia ed energia: le rocce vengono alterate in superficie dall'aria e dall'acqua.
L'acqua è presente in minime quantità anche nelle rocce del sottosuolo. Le acque degli oceani e dei continenti
evaporano e si mescolano con l'aria; i gas dell'aria sono in parte presenti in soluzione nell'acqua. Sulla superficie
terrestre, dove le sfere delle rocce, dell'aria e dell'acqua si intersecano, si sviluppa la vita.
• La "sfera della vita", o biosfera, è formata dall'insieme degli esseri viventi che popolano le acque, il suolo e
l'aria. La presenza della biosfera rende il nostro pianeta davvero speciale.
Le quattro sfere interagiscono tra loro e nell'insieme costituiscono un unico sistema, il Sistema Terra,
2. Spessore, densità e temperatura dell'atmosfera
L'atmosfera è uno strato di gas sottilissimo. Se rappresentassimo la Terra come una sfera di due metri di
diametro, l'atmosfera la ricoprirebbe come un velo di poco più di 1 mm. Essa svolge un'importante funzione
protettiva, in quanto ci salvaguarda dalla pioggia di corpi solidi provenienti dallo spazio.
Ogni anno entrano nella nostra atmosfera migliaia di tonnellate di meteore che, per l'attrito con i gas atmosferici,
s'incendiano e vengono ridotte in polvere prima di raggiungere il suolo. L'atmosfera ha, inoltre, una funzione
termoregolatrice: di giorno assorbe parte dell'energia del Sole, evitando così un eccessivo riscaldamento; di
notte funziona da coperta isolante trattenendo la maggior parte del calore accumulato durante il giorno.
I gas dell'atmosfera raggiungono la massima densità in corrispondenza della superficie terrestre perché attratti
dalla forza di gravità della Terra. La causa di questo abbassamento della temperatura con la quota dipende
soprattutto dal fatto che la maggior parte del calore del Sole viene catturato dalla superficie terrestre, per cui,
allontanandosi da questa e salendo di quota, l'aria si raffredda.
3. L'aria che respiriamo
Nella sottilissima pellicola della troposfera si concentra quasi l'80% della massa totale dei gas atmosferici. Qui
avvengono gli scambi gassosi tra gli esseri viventi e l'atmosfera, qui è presente il vapore acqueo che proviene
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dall'evaporazione delle acque dell'idrosfera, qui si formano le nuvole e soffiano i venti. I gas della troposfera
formano quel miscuglio che chiamiamo aria. L'aria secca (cioè privata del vapore acqueo) è composta per il
78% (in volume) da azoto e per quasi il 21% da ossigeno. Il restante 1% è costituito da argon (circa 0,9%), un
gas inerte, da anidride carbonica (0,03%) e da tracce di altri gas (idrogeno, elio, ozono ecc.).
L'azoto. L'azoto è presente nell'aria come gas composto da molecole formate da due atomi di azoto legati
insieme (N2).
L'azoto è molto importante per gli esseri viventi, perché è uno dei principali costituenti delle proteine, molecole
fondamentali per la struttura e il funzionamento degli organismi. L'azoto atmosferico non interviene tuttavia nella
respirazione. Noi lo introduciamo nei nostri polmoni insieme con l'ossigeno e lo riemettiamo inalterato.
L'ossigeno. L'ossigeno è presente anch'esso nell'aria come gas formato da molecole composte da due atomi
legati insieme (O2).
L'ossigeno è il gas indispensabile per la respirazione, il processo che fornisce alla maggioranza degli organismi
l'energia necessaria alla vita e che consiste fondamentalmente nella reazione tra l'ossigeno e le sostanze assimilate attraverso il cibo.
L'anidride carbonica. Tra gli altri gas presenti nell'aria, l'anidride carbonica o diossido di carbonio (CO2), viene
continuamente prodotta dagli esseri viventi tramite la respirazione.
L'anidride carbonica fa parte, con l'ossigeno, di un ciclo naturale che tende a mantenere costante la percentuale
di questi due gas nell'atmosfera. Se così non fosse, prima o poi consumeremmo con la respirazione tutto
l'ossigeno presente, convertendolo in anidride carbonica. Invece, le piante riforniscono continuamente
l'atmosfera di ossigeno, sottraendole anidride carbonica. Esse, infatti, compiono la fotosintesi utilizzando
anidride carbonica e restituendo ossigeno.
La presenza eccessiva dell'anidride carbonica nell'atmosfera determina il cosiddetto "effetto serra", un fenomeno
che influisce sul riscaldamento della superficie terrestre e di cui parleremo più estesamente nel prossimo
paragrafo.
Il vapore acqueo. L'aria della troposfera contiene anche vapore acqueo. in quantità variabile. il vapore acqueo
presente nell'aria costituisce l'umidità.
4. Le malattie dell'aria
Oggi la qualità dell'aria è seriamente compromessa per la presenza di numerose sostanze inquinanti, soprattutto
nelle aree urbane e industriali. Le principali fonti di inquinamento sono gli scarichi industriali, gli impianti di
riscaldamento delle abitazioni e il traffico. Questi riversano in atmosfera una grande quantità di sostanze
tossiche che l'uomo respira e assorbe per via cutanea. Sono presenti anche particelle finissime, il cosiddetto
pulviscolo atmosferico, i cui componenti più pericolosi sono le PM10, cioè le particelle che hanno un diametro
inferiore a 10 millesimi di millimetro. Alcune polveri sono di origine inorganica, altre di origine biologica, come
batteri, pollini, spore. Queste particelle possono rimanere a lungo sospese nell'aria ed essere trasportate dai
venti per notevoli distanze.
Nelle città, dove si ha un'alta concentrazione di sostanze inquinanti, l'insieme di pulviscolo e di vapore acqueo
può produrre foschie e nebbie, e a volte fitte cappe di smog (da smoke, fumo e fog, nebbia) che riducono la
visibilità e rendono l'aria irritante per le vie respiratorie.
Le sostanze inquinanti. I gas che derivano dai processi di combustione sono soprattutto diossido di zolfo
(SO2), diossido di carbonio o anidride carbonica (CO2), monossido di carbonio (CO) e ossidi di azoto (NO, NO 2).
L'aumento della concentrazione di questi gas nell'aria, legato alla crescita dei consumi dei combustibili fossili,
porta all'aumento dell'acidità dell'acqua piovana (fenomeno delle piogge acide). Ne sono testimoni i monumenti
in calcare di molte città, corrosi e alterati. Anche la vegetazione subisce gli effetti nocivi delle piogge acide, che
provocano ingiallimento e caduta delle foglie.
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Tra gli ossidi di carbonio, il monossido è particolarmente velenoso; presente in grandi quantità nei fumi di scarico
delle automobili, pub risultare letale per l'uomo anche in basse concentrazioni. l'anidride carbonica di per sé non
è particolarmente inquinante ma la sua concentrazione nell'atmosfera è in costante aumento. Questo aumento è
la causa principale dell'incremento dell'effetto serra, cioè di un lieve ma costante incremento della temperatura
media del nostro pianeta.
L'effetto serra. Del calore che giunge dal Sole e che in parte è restituito dalla superficie della Terra, una
frazione si disperde direttamente nello spazio; il resto, dopo essere stato assorbito dal vapore acqueo,
dall'anidride carbonica e da altri gas dell'atmosfera, viene irradiato di nuovo verso la superficie terrestre. Come
risultato, una certa quantità di calore rimane intrappolata nello strato inferiore della troposfera. Ciò fa sì che in
prossimità della superficie terrestre l'aria abbia una temperatura media annua di circa 14,5 °C.
Il fenomeno appena descritto è stato chiamato dagli scienziati effetto serra perché presenta alcune somiglianze
con quello che accade all'interno di una serra.
Infatti, le radiazioni solari che attraversano i vetri di una serra scaldano il terreno e gli oggetti all'interno, i quali a
loro volta riemettono, sotto forma di radiazioni infrarosse, l'energia così assorbita. Parte di queste radiazioni non
riesce ad attraversare nuovamente i vetri della serra, rimanendo "intrappolata" al suo interno; ne consegue che
nella serra tende ad accumularsi calore e la temperatura aumenta.
Il vapore acqueo, l'anidride carbonica e altri gas dell'atmosfera che si comportano come i vetri della serra
trattengono le radiazioni infrarosse in prossimità della superficie terrestre. Sono chiamati gas serra e svolgono
un ruolo fondamentale nella regolazione della temperatura del nostro pianeta. Se non ci fossero, la Terra
sarebbe, in media, più fredda di alcune decine di gradi; sarebbe cioè un enorme, perenne ghiacciaia. D'altra
parte, se la concentrazione dei gas serra nell'atmosfera aumenta, anche la temperatura media dell'aria è
destinata a crescere.
Molti scienziati ritengono che l'aumento della CO 2 di questi ultimi decenni sia dovuto all'utilizzo di petrolio e
carbone che bruciando producono CO2. L'aumento della CO2 ha determinato un aumento della temperatura
media di 0,7 °C. Se tale aumento non dovesse interrompersi, nel giro di 40-50 anni si arriverebbe a un aumento
di 3-4 °C. Un incremento ulteriore porterebbe modificazioni climatiche molto gravi: la desertificazione aumenterebbe nelle aree tropicali e subtropicali, mentre molte zone costiere e isole verrebbero sommerse in
seguito all'innalzamento del livello dei mari dovuto alla fusione dei ghiacci.
Non tutti gli scienziati sono d'accordo nell'attribuire all'aumento della CO 2. dovuto alle attività umane,
l'innalzamento della temperatura a cui stiamo assistendo. Dalla documentazione fossile sappiamo che ciclicamente la Terra ha assistito a innalzamenti e abbassamenti della temperatura prima ancora che l'uomo facesse
la sua comparsa. Tuttavia le attività umane producono gas serra in quantità tali da rendere estremamente
probabile, se non certa, una loro interferenza nei cicli naturali. Questo evidenzia quanto sia importante che siano
attuate misure per la riduzione delle emissioni di gas serra. Un primo passo è stato fatto con il Protocollo di
Kyoto, che però non è ancora stato accolto da alcuni Paesi industrializzati o in via di rapido sviluppo (tra cui Stati
Uniti, Cina e India) e che comunque, anche laddove è stato accettato, è ben lungi dall'essere applicato.
L'ozono. L'ozono è concentrato soprattutto nella stratosfera , dove forma l'ozonosfera L'ozonosfera assorbe il
90% dei raggi ultravioletti; i raggi UV spezzano le molecole biatomiche di ossigeno (O 2), i cui singoli atomi
tendono poi a ricombinarsi con altre molecole di ossigeno, formando la molecola triatomica dell'ozono (O + O 2 ->
O3). Questo tipo di interazione dell'ozonosfera con i raggi UV fa sì che essa svolga una importante funzione
protettiva nei confronti degli esseri viventi.
Negli ultimi decenni si è appurato che alcune sostanze inquinanti, in particolare i clorofluorocarburi (CFC),
agiscono sull'ozono stratosferico provocandone la rapida trasformazione in ossigeno biatomico O 2. In tal modo
essi determinano l'assottigliamento dello strato protettivo, aumentando l'esposizione degli organismi terrestri ai
raggi UV, con gravi conseguenze per la salute dell'uomo (eritemi, tumori della pelle, cataratta) e per la vita in
genere. Tale fenomeno fu registrato per la prima volta alla fine degli anni Settanta, quando fu scoperto un forte
impoverimento di ozono stratosferico in corrispondenza del continente antartico, che gli scienziati chiamarono
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buco nell'ozono.
Da dove provengono i "killer" dell'ozono? Ancora una volta dobbiamo chiamare in causa le attività antropiche: i
CFC, infatti, sono gas che fino a pochi anni fa venivano utilizzati in grandi quantità negli impianti di refrigerazione
o nelle bombolette spray. Essi raggiungono, in tempi molto lunghi e senza aver subìto alcun cambiamento, la
stratosfera; qui, sotto l'azione delle radiazioni solari liberano atomi di cloro (Cl) che reagiscono con la molecola
triatomica di ozono strappandole un atomo di ossigeno (Cl + O 3 -> O2 + ClO). Per proteggere la fascia di ozono
occorre dunque limitare o eliminare del tutto l'uso di questi gas, come peraltro già previsto da alcuni accordi
internazionali. Il buco nell'ozono è una realtà in continua evoluzione ed è costantemente monitorato dalla Nasa. I
CFC sono, inoltre, gas serra: anche se sono stati aboliti da accordi internazionali, saranno necessari molti anni
prima che gli effetti della loro abolizione siano visibili.
5. lI peso dell'aria
L'aria, come tutto ciò che è materia, ha un peso: poco più di un grammo per ogni litro. A causa del suo peso e
soprattutto per lo spessore dell'atmosfera, l'aria esercita una pressione tutt'altro che trascurabile sulla superficie
terrestre.
La pressione atmosferica è il rapporto tra il peso della colonna d'aria soprastante una data superficie e
l'area della superficie stessa.
La pressione atmosferica varia da luogo a luogo. a seconda dell'altitudine, e in uno stesso luogo subisce
oscillazioni nel tempo. Questi cambiamenti sono responsabili degli eventi meteorologici. La pressione atmosferica varia con:
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l'altitudine, perché a mano a mano che si sale di quota diminuisce il peso della colonna d'aria soprastante e
diminuisce, quindi, la pressione atmosferica;
la temperatura, perché a parità di altitudine, quando l'aria è più calda, la pressione è minore di quando l'aria
è più fredda;
l'umidità dell'aria, perché quando l'aria è più umida, ossia contiene una maggiore quantità di vapore
acqueo, esercita una pressione minore rispetto a quando è più secca (contrariamente a quanto si potrebbe
pensare). Questo perché le molecole dell'acqua sono più leggere di quelle degli altri gas dell'aria: un litro di
vapore acqueo pesa circa due terzi di un litro di azoto.
6. I venti
Vi siete mai chiesti come ha origine il vento? Perché l'aria si muove? L'aria si muove da un punto all'altro della
Terra per ristabilire un equilibrio tra zone che presentano differenze di pressione.
Più precisamente, l'aria si sposta da un'area della superficie terrestre in cui la pressione è più alta verso un'area
in cui la pressione è più bassa. Per lo stesso motivo l'aria fuoriesce da una camera d'aria forata: la pressione
interna è, infatti, maggiore di quella esterna.
Il vento è il movimento di una massa d'aria da un'area della superficie terrestre in cui la pressione è
maggiore verso un'area in cui la pressione è minore.
8. Come si formano e sì dissolvono le nuvole
Nelle fredde giornate d'inverno l'aria che emettiamo dalla bocca quando respiriamo forma una nuvoletta bianca,
una specie di "nebbiolina". A che cosa è dovuta?
L'aria che fuoriesce dai nostri polmoni, che normalmente non vediamo, è calda e ricca di acqua sotto forma di
vapore. A contatto con l'aria gelida esterna si raffredda: di conseguenza, parte del vapore condensa, ossia le
molecole d'acqua si aggregano in minuscole goccioline che formano la nuvoletta.
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Analoga è l'origine degli sbuffi bianchi che sfuggono da un bollitore. Mediante lo stesso processo si formano le
nuvole.
Le nuvole (o nubi) si formano dal vapore acqueo atmosferico, che raffreddandosi condensa in minute
goccioline.
9. I vari tipi di precipitazione: pioggia, neve e grandine
Quando siamo immersi nella nebbia siamo all'interno di una nube che si è formata a livello del suolo; anche in
questo caso non vediamo le goccioline singolarmente, ma vediamo la nebbia che esse formano.
La nebbia si forma soprattutto d'inverno: al calare della sera, specialmente nelle giornate con cielo sereno, il
suolo restituisce rapidamente il calore accumulato durante il giorno e si raffredda, raffreddando a sua volta lo
strato d'aria soprastante. Ciò provoca la condensazione del vapore acqueo contenuto in tale strato: è allora che,
come comunemente si dice, "si alza la nebbia".
Se la temperatura scende sotto lo zero, al suolo può formarsi un velo di cristalli di ghiaccio: è la brina.
La pioggia si forma invece quando le minuscole goccioline di nube si uniscono fra loro formando gocce, più
grandi e pesanti. Quando le gocce diventano troppo pesanti per rimanere sospese nell'aria si ha la pioggia. Le
gocce di pioggia hanno dimensioni variabili tra circa 0,5 e 3 mm.
Se le gocce di pioggia incontrano temperature che si mantengono sotto lo zero, possono assumere la forma di
neve o di nevischio.
La grandine si forma invece nei cumulonembi, le grandi nubi temporalesche a cavolfiore che si sviluppano
molto in altezza. Se la base della nube si trova a 2000 m, la sommità arriva anche a 15.000 m di altezza. Poiché
la temperatura nella troposfera diminuisce di 6 °C al kilometro, la differenza di temperatura tra la base e la
sommità è enorme: se alla base è 18 °C, nella parte più alta sarà di -60 °C. In queste condizioni all'interno del
cumulonembo si sviluppano forti correnti d'aria ascensionali. Le gocce d'acqua alla base vengono sospinte verso
l'alto dalle correnti e, giunte alla sommità, ghiacciano. Per gravità ricadono verso la parte inferiore del
cumulonembo, dove si rivestono di un velo d'acqua. Se le correnti ascensionali sono abbastanza forti da
riportarle in alto, il velo d'acqua si trasforma in uno straterello di ghiaccio. Il processo si può ripetere più volte e
ogni volta al granello di ghiaccio si aggiunge un nuovo straterello ghiacciato, fino alla formazione di pesanti
chicchi di grandine, che cadono al suolo.
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