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Alta Atmosfera
Principi |
Misure nella Stratosfera
La stratosfera inizia ad un'altitudine compresa tra gli 8 e i 15 km e le sue parti più interessanti si trovano più in alto di quanto possano volare gli aeroplani. Perciò come possiamo conoscere la chimica della stratosfera?
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Per studiare la chimica della stratosfera possiamo:
- spedire degli strumenti di misura nella stratosfera a bordo di aerei speciali o dentro dei palloni sonda.
- utilizzare il modo caratteristico in cui uno specifico composto chimico interagisce con la luce per studiare la stratosfera dal suolo o dallo spazio utilizzando dei satelliti.
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Aeroplani
Aeroplani speciali, come il primo aeroplano spia in grado di volare ad alta quota, hanno reso possibili misure uniche. Questo aeroplano, adesso chiamato "Geophysica", è stato trasformato in un laboratorio volante che può raggiungere quote intorno ai 20 km. I voli sono molto costosi e, di conseguenza, questo mezzo non è utilizzato spesso.
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1. Geophysica - aereo da ricerca ad alta quota
fonte: MDB Design Bureau
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Palloni
Un'alternativa più comune consiste nell'effettuare le misure utilizzando dei palloni meteorologici. I palloni meteorologici possono raggiungere altitudini dai 30 ai 35 km prima di bruciarsi. Trasportano sensori per misurare, ad esempio, l'ozono e inviano le informazioni alla terra attraverso un segnale radio. Man mano che il pallone sale attraversando l'aria invia a terra informazioni continue. I palloni perciò rappresentano un modo molto utile e relativamente poco costoso per studiare la struttura verticale dell'atmosfera.
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2. a) Inizio dell'ascesa di un'ozonosonda all'Osservatorio di Hohenpeissenberg, Germania.
Foto di Ulf Köhler. Cliccare per allargare! (85 K)
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2. b) Sonda di ozono per le misure da pallone. Foto di Ulf Köhler, DWD Hohenpeissenberg. Cliccare per vedere i dettagli! (80 K)
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L'interazione delle molecole con la luce
Il modo in cui i diversi composti chimici interagiscono con la luce è molto complesso. In parole molto semplici, quando la luce e la materia interagiscono succede qualcosa. La luce può essere assorbita completamente dal composto. Può essere riflessa o dispersa direttamente indietro verso lo spazio o può essere assorbita e riemessa ad una diversa energia (e ad una diversa lunghezza d'onda).
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Le conseguenze dell'assorbimento della luce da parte delle nuvole, dell'acqua e delle grandi particelle sono facili da vedere: la luce solare diretta è bloccata dalle nuvole, più ci immergiamo, più il mare diventa scuro in quanto viene dispersa una maggiore quantità di luce e una tempesta di polvere fa apparire il sole più pallido. Le molecole si comportano allo stesso modo. Possono assorbire o riflettere la luce, possono disperdere la luce rimandandola indietro verso la terra oppure assorbire la luce e riemetterla ad una diversa lunghezza d'onda e con energia minore. Esempi di questo sono la fosforescenza e la fluorescenza. Questi effetti si verificano quando i composti chimici assorbono la luce del giorno ed emettono luce di diversa energia che può essere vista anche al buio. Il tipo di luce riemessa ci fornisce informazioni sul tipo di composto chimico e l'intensità della luce ci dice qualcosa sulla sua concentrazione.
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3. La fosforescenza ha luogo quando la luce è assorbita e riemessa di nuovo ad un'altra lunghezza d'onda. fonte: elaborato da pubblicità sul web.
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Le interazioni della luce con le molecole presenti nella stratosfera possono essere osservate dal suolo o misurate dallo spazio utilizzando strumenti installati sui satelliti.
LIDAR
Il Lidar (LIght Detection And Ranging) è una tecnica che può essere utilizzata dal suolo. Viene inviato verso lo spazio un breve impulso di una luce laser molto intensa. Poco dopo, la luce ritorna verso la terra e può essere misurata.
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5. Misurazioni con LIDAR. Fonte dell'immagine: University of Western Ontario.
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La luce ci dà informazioni sui componenti dell'atmosfera (attraverso la lunghezza d'onda della luce di ritorno) e sulle loro concentrazioni (attraverso l'intensità della luce di ritorno). Ma come sappiamo a quale altezza si trovano? La luce ha una certa velocità e più tempo la luce impiega a tornare sulla terra, più in alto sono i composti.
L'animazione sulla sinistra mostra un impulso laser la cui luce è riflessa indietro verso la terra da molecole d'aria che si trovano ad altitudini diverse e giunge al rivelatore in tre momenti diversi.
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6. SODAR - misura della velocità del vento.
Fonte dell'immagine: Meteotest
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RADAR e SODAR
Esistono anche altri tipi di strumenti che sfruttano l’interazione con la radiazione elettromagnetica. La più conosciuta è il RADAR (RAdio Detection And Ranging), che è utilizzato per misurare le particelle aerodisperse e le proprietà delle nuvole. Il RADAR ci permette di tracciare le tempeste a diverse centinaia di chilometri. Se si utilizza il suono al posto della luce, la tecnica è conosciuta come SODAR (SOund Detection And Ranging) che è uno strumento molto efficace per la misura della velocità e della direzione del vento.
Satelliti
I satelliti possono osservare il pianeta dallo spazio. Alcuni di questi osservano solo una parte della terra e sono conosciuti come satelliti geostazionari, altri invece orbitano intorno alla terra ad una quota compresa tra i 500 e 1000 km e possono effettuare un giro completo intorno alla terra in circa 1.5 - 2 ore. Alcuni di questi satelliti hanno a bordo degli spettrometri che sono strumenti in grado di rilevare diverse lunghezze d'onda della luce e darci informazioni sulla composizione chimica dell'atmosfera. |
- Utilizzando i satelliti possiamo misurare la quantità di luce solare riflessa dalle nuvole o dalle molecole d'aria.
- I satelliti possono trasportare gli spettrometri che funzionano nella regione infrarossa dello spettro e misurano la radiazione ad onda lunga che viene direttamente dalla terra.
- Per certe posizioni del sole e della terra, i raggi solari attraversano l’atmosfera fino a che raggiungono il rivelatore sul satellite. In questo modo possiamo avere informazioni su come le concentrazioni dei vari composti cambino nelle diverse zone dell’atmosfera.
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7. Tecniche diverse per eseguire misure satellitari. schema di Elmar Uherek. Cliccare per allargare! (60 K)
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