L'atmosfera è l'involucro gassoso che avvolge la Terra, ci protegge dalle radiazioni e dai meteoriti, e rende possibile la vita regolando temperatura, clima e respirazione di tutti gli organismi viventi.
Che cos'è l'atmosfera e perché è importante
L'atmosfera è un sottile guscio di gas trattenuto dalla forza di gravità terrestre, che si estende per centinaia di chilometri sopra la superficie del nostro pianeta. Anche se appare immensa, la sua massa è circa un milionesimo di quella della Terra, e gran parte dell'aria si concentra nei primi venti chilometri di altezza. Senza questo involucro, la temperatura superficiale oscillerebbe di centinaia di gradi tra giorno e notte, come accade sulla Luna, rendendo impossibile la vita. L'atmosfera filtra le radiazioni ultraviolette del Sole, brucia per attrito quasi tutti i corpi cosmici in arrivo e distribuisce il calore tramite venti e correnti. Inoltre fornisce l'ossigeno che respiriamo e l'anidride carbonica usata dalle piante per la fotosintesi clorofilliana. Quando in spiaggia sentiamo la brezza marina fresca al pomeriggio, o quando vediamo una stella cadente che si consuma nel cielo notturno, stiamo osservando proprio il lavoro continuo dell'atmosfera.
Composizione chimica dell'aria
L'aria che respiriamo non è una sostanza pura ma una miscela di gas, vapore acqueo e piccolissime particelle solide in sospensione, come polvere e pollini. I due componenti principali sono l'azoto, che costituisce circa il 78% del volume, e l'ossigeno, presente per circa il 21% e indispensabile alla respirazione cellulare. Il restante 1% comprende gas nobili come argon, neon ed elio, oltre ad anidride carbonica, metano e ozono, presenti in concentrazioni molto piccole ma fondamentali. Alcuni di questi gas, detti gas serra, trattengono il calore vicino alla superficie e mantengono la temperatura media intorno a 15 °C. Quando accendiamo una candela in una stanza chiusa, la fiamma consuma l'ossigeno presente nell'aria fino a spegnersi, mostrando concretamente la composizione mista del gas che ci circonda. Allo stesso modo, una bottiglia di acqua frizzante lasciata aperta rilascia bollicine di anidride carbonica, ricordandoci che i gas atmosferici possono sciogliersi anche nei liquidi.
La struttura a strati
L'atmosfera è organizzata in cinque strati sovrapposti, distinti tra loro in base a come cambia la temperatura con l'altezza. Partendo dal suolo e salendo verso lo spazio incontriamo nell'ordine:
- La troposfera, che arriva fino a circa 12 km e contiene quasi tutto il vapore acqueo: qui avvengono i fenomeni meteorologici come pioggia, nuvole e temporali.
- La stratosfera, che si estende fino a 50 km e ospita lo strato di ozono, scudo prezioso contro i raggi ultravioletti.
- La mesosfera, fino a circa 80 km, dove si disintegrano la maggior parte delle meteore che entrano in atmosfera.
- La termosfera, fino a 600 km, dove l'aria è rarefatta ma può raggiungere temperature elevatissime per assorbimento della radiazione solare.
- L'esosfera, lo strato più esterno, dove i gas sfumano gradualmente nello spazio interplanetario.
Gli aerei di linea volano nella bassa stratosfera per evitare le turbolenze dei temporali, mentre la Stazione Spaziale Internazionale orbita a circa 400 km di altezza, ovvero dentro la termosfera. Curiosamente, le splendide aurore polari che colorano il cielo del Nord nascono proprio dall'interazione tra il vento solare e i gas della termosfera.
Pressione e densità dell'aria
L'aria, pur essendo leggera, possiede un peso che si scarica su ogni superficie sotto forma di pressione atmosferica, misurata in hectopascal o in millimetri di mercurio. Al livello del mare la pressione media vale 1013 hPa, equivalenti alla forza di circa un chilogrammo che preme su ogni centimetro quadrato di pelle. Salendo in quota la pressione diminuisce rapidamente, perché sopra di noi resta una colonna d'aria sempre più corta e meno densa, fino a quasi annullarsi nello spazio. Per questo motivo in montagna, oltre i tremila metri, alcune persone soffrono il cosiddetto mal di montagna, dovuto al ridotto ossigeno disponibile per ogni respiro. Anche il sacchetto di patatine acquistato in pianura, quando lo portiamo in alta quota, si gonfia visibilmente perché la pressione esterna è diminuita e l'aria interna spinge di più. Allo stesso modo, quando atterriamo con un aereo sentiamo le orecchie tappate proprio perché la pressione esterna aumenta più velocemente di quanto l'orecchio riesca a compensare.
Temperatura e fenomeni termici
L'energia che riscalda l'atmosfera arriva dal Sole sotto forma di radiazione elettromagnetica, ma il riscaldamento dell'aria avviene principalmente per irraggiamento dal suolo riscaldato. Per questa ragione, salendo in troposfera la temperatura diminuisce mediamente di 6,5 °C ogni chilometro, fenomeno chiamato gradiente termico verticale. Nella stratosfera invece la temperatura ricomincia a salire grazie all'assorbimento dei raggi ultravioletti da parte dell'ozono, mentre nella mesosfera scende di nuovo fino a circa -90 °C. Le superfici scure come l'asfalto si scaldano molto più dell'erba o della sabbia chiara, e quindi cedono più calore all'aria sovrastante, creando differenze locali di temperatura. È esattamente ciò che produce le isole di calore urbane, per cui in città in estate fa più caldo che in campagna anche di notte. Un altro esempio quotidiano è il vetro dell'automobile lasciata al sole: il calore intrappolato all'interno illustra in piccolo lo stesso effetto serra che mantiene tiepida l'intera atmosfera.
Umidità, nuvole e meteorologia
L'atmosfera contiene sempre una quantità variabile di vapore acqueo, e l'umidità relativa misura quanto vapore è presente rispetto al massimo possibile a quella temperatura. Quando una massa d'aria umida sale, si raffredda e raggiunge la saturazione, il vapore condensa in minuscole goccioline che formano le nuvole e, se aggregate a sufficienza, danno origine alle precipitazioni. La meteorologia studia questi fenomeni utilizzando satelliti, radar e stazioni a terra che misurano pressione, temperatura, umidità e vento. Le aree di alta pressione, dette anticicloni, portano generalmente tempo stabile e cielo sereno, mentre le basse pressioni cicloniche sono associate a perturbazioni e maltempo. Quando in una giornata calda d'estate appare un grande temporale pomeridiano, stiamo assistendo alla condensazione rapida di aria caldo-umida sollevata in quota. Allo stesso modo, il fiato che diventa visibile in una mattina invernale fredda è vapore acqueo che condensa al contatto con l'aria gelida, una piccola nuvola personale che esce dalle nostre labbra.
Inquinamento e protezione dell'atmosfera
Le attività umane immettono nell'aria gas e particelle che ne alterano la composizione, generando l'inquinamento atmosferico con conseguenze sulla salute e sul clima. La combustione di carburanti fossili rilascia ossidi di azoto, ossidi di zolfo, monossido di carbonio e polveri sottili, mentre l'eccesso di anidride carbonica intensifica l'effetto serra naturale. Per questo motivo dalla seconda metà dell'Ottocento la temperatura media globale è aumentata di circa 1,2 °C, con conseguenze su ghiacciai, livello dei mari ed eventi estremi. Anche lo strato di ozono stratosferico fu danneggiato dai gas cloro-fluoro-carburi usati nelle bombolette, ma il Protocollo di Montreal del 1987 ne ha permesso un lento recupero. Il bollettino quotidiano sulla qualità dell'aria che leggiamo nelle grandi città, con i valori delle polveri PM10, è un esempio diretto di monitoraggio ambientale. Allo stesso modo, l'introduzione delle marmitte catalitiche sulle automobili ha drasticamente ridotto le emissioni nocive rispetto ai veicoli di trent'anni fa.
Ricorda
I punti chiave da fissare bene in mente sono i seguenti:
- L'atmosfera è una miscela di gas trattenuta dalla gravità, composta soprattutto da azoto (78%) e ossigeno (21%).
- Si divide in cinque strati: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera, distinti dall'andamento della temperatura.
- La pressione atmosferica al livello del mare vale circa 1013 hPa e diminuisce con la quota.
- Nella troposfera avvengono i fenomeni meteorologici, mentre nella stratosfera l'ozono filtra i raggi ultravioletti.
- L'effetto serra naturale rende vivibile il pianeta, ma le attività umane lo intensificano causando il riscaldamento globale.
Piccolo esercizio di verifica: prendi il quaderno e disegna un grafico con l'altezza in chilometri sull'asse verticale (da 0 a 100 km) e la temperatura sull'asse orizzontale (da -100 a +30 °C). Tracciaci sopra l'andamento qualitativo della temperatura nei primi tre strati dell'atmosfera, segnando con linee tratteggiate i confini tra troposfera, stratosfera e mesosfera. Accanto al grafico, scrivi una breve frase per ciascuno strato che spieghi perché in quella zona la temperatura sale oppure scende.