Alta Atmosfera

Principi

Gli strati dell'atmosfera

Gli strati dell'atmosfera hanno proprietà fisiche diverse tra loro. Quando aumenta l'altitudine, la pressione atmosferica diminuisce. Questo succede perché la densità dell'aria diminuisce - più in alto si sale, meno molecole di aria si trovano nello stesso volume di spazio. Anche la temperatura, l'umidità e la velocità del vento cambiano con l'altitudine.

Se guardiamo in alto nel cielo dalla terra non siamo in grado di distinguere i vari strati dell'atmosfera, vediamo solo il cielo azzurro limpido o le nuvole. Se invece viaggiamo con l'aeroplano capiamo subito che le proprietà dell'atmosfera cambiano con l'altitudine. A prescindere dal quale tempo faccia al suolo, quando raggiungiamo l'altitudine di 10 - 11 km vediamo il cielo blu senza nuvole. A questa altezza siamo nella tropopausa o perfino nella bassa stratosfera. Sopra questa altezza non ci sono nuvole semplicemente perché non c'è abbastanza acqua nell'aria da permetterne la formazione. 

Perché cambia la temperatura?

Nell'atmosfera si osservano cambiamenti di temperatura su piccola scala, che si verificano come conseguenza di cambiamenti delle condizioni locali. Ad esempio, il terreno si raffredda e si riscalda molto più velocemente del mare.

Ci sono due principali ragioni per cui si osservano cambiamenti di temperatura dell'atmosfera su larga scala:

a) La superficie della terra assorbe la luce solare e si riscalda. Quando ci allontaniamo dalla superficie calda della terra l'aria diventa più fredda. Questo porta ad una diminuzione della temperatura con l'altitudine.

b) anche la temperatura dell'atmosfera è regolata dalla presenza dei composti chimici in essa contenuti. Alcuni elementi chimici sono capaci di assorbire la luce solare e di riscaldare l'aria intorno ad essi. Nella stratosfera le molecole di ozono (O₃) sono capaci di assorbire la radiazione ultravioletta proveniente del sole e di riscaldare l'aria circostante. Questo porta ad un aumento della temperatura. La temperatura aumenta con l'altitudine fino al raggiungimento di un massimo locale. Questa temperatura massima definisce il confine tra la stratosfera e il successivo strato dell'atmosfera. Questo confine è conosciuto come stratopausa. Lo strato sopra la stratosfera è conosciuto come mesosfera e qui la temperatura diminuisce con l'altitudine. Un altro aumento di temperatura si verifica nella termosfera, dove l'azoto e l'ossigeno assorbono la radiazione solare ultravioletta a onda corta estremamente energetica e sono parzialmente convertiti in ioni carichi. Questo strato è, perciò, anche conosciuto come ionosfera. 

Perché la pressione diminuisce ?

La differenza tra l'aria e l'acqua è che l'aria è comprimibile mentre l'acqua non lo è. Se stai facendo un’immersione in mare e hai 10 metri di acqua sopra di te, la pressione è 1 bar, se ne hai 20 metri è di 2 bar semplicemente perché la quantità di acqua è raddoppiata. L'aria è diversa. Immagina semplicemente di avere una torre di cuscini molto leggeri. All'aumentare dell'altezza della torre, i cuscini sul fondo della torre diventano più piatti a causa del peso di quelli sopra. I cuscini possono essere compressi perché al loro interno hanno molto spazio libero. Perciò alla fine, potresti avere 10 cuscini nel primo strato da 30 cm della tua torre e solo 1 nell'ottavo strato sebbene il peso di ogni cuscino sia lo stesso. Lo stesso vale per l'atmosfera. È per questo motivo che i meteorologi utilizzano spesso la pressione piuttosto che l’altezza in metri per definire l'altitudine dell'atmosfera. La quantità di aria compressa dipende un po’ dalla temperatura ma approssimativamente possiamo dividere la pressione per un fattore di 2 per ogni aumento di 5.5 km in altezza.

Clicca qui per un approfondimento informazioni dettagliate su come viene calcolata la pressione atmosferica.

La termosfera è veramente calda?

Le temperature registrate nella termosfera, a 200 - 500 km di altitudine, raggiungono 500 - 1000 °C. Ma è veramente così caldo? Il problema in questo caso è la nostra definizione di temperatura. Nella termosfera le molecole hanno un'enorme quantità di energia perciò queste temperature sono corrette. Quando misuriamo la temperatura con un termometro, le molecole che ne collidono la superficie trasferiscono la loro energia al termometro. Tuttavia, il numero di molecole per volume di spazio è circa un milionesimo del numero di molecole che si hanno vicino alla superficie terrestre. Questo significa che la probabilità che le molecole collidano, trasferiscano la loro energia e provochino un riscaldamento è veramente bassa. Perciò, le temperature registrate nella termosfera sono buone misure dell'energia molecolare ma non sono comparabili alle temperature misurate al suolo con un termometro.

4. c) Guarda la figura a destra e confronta le velocità del vento al suolo (blu scuro sotto) e a 9 km di altitudine (blu chiaro, sopra) nella stessa regione. Qual'è la velocità del vento in km h^-1 nei tre punti segnati?

Cliccare sull'immagine per ottenere la grandezza intera!
(90 K)

Come cambia il vento?

La figura sopra mostra che le velocità del vento sono maggiori nella alta troposfera di quanto non siano nella bassa atmosfera. Perciò quella che è una velocità del vento normale in tropopausa al livello del suolo equivarrebbe ad una tempesta violenta. Di conseguenza, il traffico aereo utilizza un sistema di previsione del tempo particolare per considerare queste differenze nella velocità del vento. Una volta raggiunta la stratosfera, tuttavia, la velocità del vento diminuisce significativamente.  

Pagine collegate

Puoi trovare ulteriori informazioni su come cambiano le proprietà dell'aria con l'altitudine in:
Bassa Atmosfera - Principi - Unità 1 - Verticale

A proposito di questa pagina:

autore: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz, Germany
revisione scientifica: Dr. John Cowley, 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