Alta Atmosfera

Principi

Composizione della stratosfera

Molti dei composti rilasciati sulla superficie della Terra non raggiungono la stratosfera, piuttosto sono:

• decomposti dai principali ossidanti troposferici (radicali ossidrile OH, radicali nitrato NO₃, ozono O₃)
• distrutti dalla luce solare
• depositati sulla superficie terrestre inglobati nelle gocce di pioggia o come particelle
• intrappolati nella fredda tropopausa

Poiché l'andamento della temperatura tra la troposfera e la stratosfera si inverte, praticamente non c'è scambio di aria tra questi due strati. Il mescolamento dell'aria nella troposfera impiega da ore a giorni mentre il mescolamento nella stratosfera impiega da mesi ad anni.
 

Una delle conseguenze di questa mancanza di mescolamento tra la troposfera e la stratosfera è che il contenuto di vapore acqueo della stratosfera è molto basso. I rapporti di mescolamento tipici (vedi sotto per la definizione) in stratosfera sono nell'intervallo 2-6 ppm (parti per milione), rispetto alle 100 ppm dell'alta troposfera e alle 1.000-40.000 ppm della bassa troposfera, vicino alla superficie terrestre. Questo significa che le nuvole stratosferiche si formano molto raramente e solo se le temperature sono così basse da far crescere i cristalli di ghiaccio. Queste condizioni generalmente si verificano solo nelle regioni polari. Tuttavia, l'aumento delle concentrazioni di vapore acqueo causato delle emissioni degli aeroplani e le temperature più elevate causate dal riscaldamento della troposfera sottostante potrebbe portare ad un aumento della formazione delle nuvole stratosferiche polari. 

Composti inorganici nella stratosfera

La chimica della stratosfera è dominata dalla chimica dell'ozono. Tra l'85 e il 90% di tutto l'ozono atmosferico si trova nella stratosfera. Nella stratosfera l'ozono si forma quando la luce solare scinde le molecole di ossigeno (O₂) in atomi di ossigeno (O). Gli atomi di ossigeno fortemente reattivi reagiscono poi con altre molecole di ossigeno per formare l'ozono (O₃). La maggior parte degli altri gas che si trova nella stratosfera è costituita da composti non reattivi emessi originariamente nella troposfera (come i clorofluorocarburi - CFC) o da composti trasportati da violente eruzioni vulcaniche (generalmente composti dello zolfo e aerosol). Pertanto le specie chimiche più abbondanti nella stratosfera sono composti inorganici come l'ozono, gli ossidi di azoto, l'acido nitrico, l'acido solforico, gli alogeni e gli ossidi alogenati provenienti dai CFC.
 

Eruzioni vulcaniche

Le eruzioni vulcaniche violente possono “sparare” direttamente nella stratosfera grandi quantità di gas e particelle. Questi gas includono acidi contenenti alogeni come acido cloridrico (HCI) e acido fluoridrico(HF), e biossido di zolfo (SO₂) che è trasformato successivamente in acido solforico (H₂SO₄), uno dei composti responsabile della formazione delle nuvole. Tra le particelle emesse ci sono anche silicati e solfati che assorbono la luce solare nella stratosfera. Le eruzioni vulcaniche possono perciò portare ad un riscaldamento temporaneo nella stratosfera e ad un raffreddamento temporaneo nella troposfera. Questi effetti sulla temperatura possono durare circa 1-2 anni. Se l'eruzione è abbastanza violenta, come quella del Monte Pinatubo nelle Filippine del Giugno 1991, l'effetto ha una portata emisferica.

Comprendere i concetti di concentrazione e rapporto di mescolamento

Possiamo esprimere la quantità di un composto nell'atmosfera in due modi, relativo e assoluto:
a) rapporto di mescolamento = la frazione del composto che fa parte di tutte le molecole di aria presenti. Se ci sono 40 molecole di ozono in 1 milione di molecole di aria totali il rapporto di mescolamento è 40 ppm (parti per milione). Questa è una misura relativa. 
b) concentrazione = la concentrazione delle molecole del composto in un certo volume di aria. Se ci sono 100 molecole di ozono in un metro cubo di aria, la concentrazione è 100 molecole m^-3. Questa misura è assoluta.

Se conosci la pressione dell'aria, è possibile fare una conversione tra due unità.

La pressione diminuisce con l'altitudine, cioè più in alto saliamo nella stratosfera, meno molecole ci sono in ogni unità di volume di aria. Questo significa che se la quantità assoluta di ozono rimane la stessa, all’aumentare dell'altitudine, aumenta anche il rapporto di mescolamento dell'ozono.

Possiamo spiegare questo principio generale molto semplicemente. In un certo volume (riquadro blu chiaro) c'è un certo numero di molecole d'aria (blu) e un certo numero di molecole di ozono (rosso). Il numero di molecole d'aria diminuisce con l'altitudine.
 

Andando dal suolo alla bassa stratosfera, i rapporti di mescolamento dell'ozono tendono ad aumentare con l'altitudine in quanto le concentrazioni di ozono rimangono quasi costanti ma l'aria diventa più rarefatta. Nella bassa stratosfera, le concentrazioni di ozono aumentano con l'altitudine (l'esempio sotto mostra un aumento di un fattore 8) aumentando ulteriormente i rapporti di mescolamento. É solo sopra lo strato di ozono che i rapporti di mescolamento rimangono circa costanti con l'altitudine.
 

Nelle pubblicazioni scientifiche vengono utilizzate entrambe le rappresentazioni del profilo dell'ozono, la rossa e la verde. Ma dobbiamo considerare che nell'atmosfera le molecole di ozono non sono una su cinque molecole d'aria come nell'esempio sopra, ma piuttosto una su un milione [1 ppm].  

4. La figura mostra come il rapporto di mescolamento dell'ozono e la concentrazione dell‘ozono cambiano con l'altitudine.  
fonte: adattato da IUP Bremen.
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A proposito di questa pagina:

autore: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz, Germany.
revisione scientifica: Dr. John Crowley- Max Planck Institute for Chemistry, Mainz - 2004-05-04
revisione didattica: Michael Seesing - Univ. of Duisburg, Germany.  Dr. Ellen K. Henriksen - Univ. of Oslo, Norway.  Yvonne Schleicher - Univ. of Erlangen-Nürnberg, Germany.
ultima pubblicazione: 2009-03-23