Atmosfera

Tutti i pianeti del sistema solare hanno un’atmosfera, dal momento che la gravità associata alle loro grandi masse è abbastanza forte da intrappolare le particelle gassose. I giganti gassosi sono sufficientemente massicci da trattenere grandi quantitativi di gas leggeri come idrogeno ed elio, mentre i pianeti più piccoli li perdono nello spazio.

L’atmosfera terrestre è diversa rispetto a quelle degli altri pianeti. I processi vitali che hanno luogo sul pianeta, infatti, ne hanno alterato la composizione, arricchendola di ossigeno molecolare (O2). Mercurio è l’unico pianeta del sistema solare che possiede un’atmosfera estremamente tenue, che è stata soffiata via per la maggior parte, sebbene non totalmente, dal vento solare.

Le atmosfere planetarie ricevono energia in vario grado dal Sole e dagli strati planetari più interni; ciò determina il verificarsi di fenomeni meteorologici, quali cicloni sulla Terra, tempeste di sabbia che interessano l’intero Marte, tempeste cicloniche e anticicloniche (come, ad esempio, la celebre Grande Macchia Rossa su Giove) e forti venti sui giganti gassosi.

Anche sui pianeti extrasolari sono state identificate tracce di attività meteorologica: su HD 189733 b è stata individuata una tempesta simile alla Grande Macchia Rossa, ma due volte più ampia. Si è visto che alcuni pianeti gioviani caldi perdono la loro atmosfera nello spazio a causa delle radiazioni e del vento stellare in modo molto simile a quanto accade alle code delle comete: è quanto accade ad esempio per HD 209458 b.
È stato ipotizzato che su questi pianeti si verifichi una grande escursione termica diurna e che possono pertanto svilupparsi venti supersonici tra l’emisfero illuminato e quello in ombra, con velocità che nel caso di HD 209458 b sono comprese tra 5000 e 10 000 km/h.

Osservazioni eseguite su HD 189733 b sembrano tuttavia indicare che l’emisfero buio e l’emisfero illuminato abbiano temperature molto simili, ad indicazione del fatto che l’atmosfera del pianeta ridistribuisce globalmente e con elevata efficienza l’energia ricevuta dalla stella. L’esosfera è lo strato più esterno dell’atmosfera, caratterizzata da una temperatura cinetica superiore ai 2000 °C.

Le particelle gassose che raggiungono e superano la velocità di fuga (11,2 km/s) non partecipano più alla rotazione terrestre e si disperdono nello spazio. In genere sono gli elementi più leggeri quelli che lasciano più frequentemente la nostra atmosfera. L’atmosfera terrestre termina quando la densità dei suoi gas è uguale a quella dello spazio interstellare e si identifica con la frangia atmosferica che si trova a circa 2000-2500 km sopra la superficie terrestre.

Qui le particelle gassose non sono più attratte dalla gravità terrestre e non partecipano più alla rotazione del pianeta. La temperatura di centinaia di gradi a grandi altezze non indica un caldo enorme, ma è solo la temperatura cinetica, e cioè la temperatura che sarebbe necessaria al livello del mare affinché le molecole posseggano la stessa energia cinetica che hanno a queste altezze.

Questa regione dell’atmosfera è caratterizzata da un continuo aumento della temperatura con l’altezza: secondo dati e calcoli teorici recenti tra i 110 ei 120 km essa dovrebbe essere gia’ risalita a 0 °C, a 150 km si aggirerebbe intorno ad alcune centinaia di gradi sopra lo zero ed al limite superiore, in prossimita’ della termopausa, supererebbe il migliaio di gradi. Tuttavia questi dati si riferiscono alla temperatura cinetica delle particelle, che le fa viaggiare a una velocità di poco inferiore alla velocità di fuga.

Nella termosfera si trova la ionosfera, lo strato dell’atmosfera terrestre che riflette le onde radio, in particolare gli strati D, E, F1 e F2 sono in grado di riflettere le onde radio lunghe, medie, corte e cortissime. Grazie a questo strato atmosferico è possibile che le trasmissioni radio possano essere trasmesse in più punti della superficie terrestre mentre per le trasmissioni televisive, per esempio, occorrono dei satelliti che ritrasmettono il segnale televisivo nel punto desiderato della superficie terrestre. Qui cominciano ad incendiarsi e a disintegrarsi le meteore, corpi solidi che provengono dallo spazio.

Stratosfera: La stratosfera è caratterizzata da un gradiente termico verticale positivo e molto piccolo, cioè in essa la temperatura aumenta leggermente con la quota, contrariamente a quanto avviene nello strato sottostante. Questo aumento di temperatura con la quota è dovuto alla dissociazione delle molecole di ozono presenti nella stratosfera. Il processo ha due effetti, la produzione di calore, tanto più grande quanto maggiori sono le dissociazioni, e l’arresto dei raggi ultravioletti che sono dannosi per la vita.

L’emanazione di calore in seguito alla dissociazione dell’ozono ha effetto di riscaldare l’atmosfera circostante, per cui nella stratosfera la temperatura aumenta con la quota.
La stratosfera inizia intorno ai 12 km e termina ad un’altitudine di circa 50 km. Mesosfera: La parola mesosfera può essere riferita al terzo dei cinque strati in cui è suddivisa l’atmosfera oppure alla parte del mantello terrestre sotto l’astenosfera.

La Ionosfera è quella fascia dell’atmosfera nella quale le radiazioni del Sole provocano la ionizzazione dei gas componenti. La ionosfera si estende fra i 60 e i 450 km di altitudine e dunque appartiene parzialmente sia alla mesosfera che alla termosfera. Può essere ulteriormente divisa in strati evidenziandone le diverse proprietà elettriche, dovute alle variazioni di composizione e dell’intensità di radiazione solare ricevuta.

La ionosfera è estremamente rarefatta: pur essendo spessa centinaia di kilometri, essa contiene solamente l’1% circa della massa gassosa atmosferica complessiva.
La temperatura diurna varia dai 200 K degli strati più interni ai 1500 K degli strati più esterni, maggiormente esposti al Sole. La presenza dell’illuminazione solare esercita una grande influenza sulle proprietà dei gas ionosferici, che dunque cambiano sensibilmente tra il giorno e la notte.

La ionosfera svolge un ruolo importante in alcune applicazioni radio; un’onda a radiofrequenza incidente su uno strato ionizzato può essere totalmente riflessa sotto opportune condizioni, al contrario di quanto accade nell’atmosfera non ionizzata. Di conseguenza, è possibile utilizzare un modello di propagazione basato su riflessioni multiple fra la superficie terrestre e la ionosfera. Questo tipo di propagazione è abbastanza efficiente per frequenze inferiori ai 30 MHz, le cosiddette onde corte, tipicamente utilizzate dalle trasmissioni radioamatoriali

Una caratteristica importante dei pianeti è l’esistenza di un momento magnetico intrinseco, che indica che il pianeta è ancora geologicamente attivo o, in altre parole, che al suo interno esistono ancora moti convettivi di materiali elettricamente conduttivi. La presenza di un campo magnetico planetario modifica significativamente l’interazione tra il pianeta ed il vento stellare; infatti attorno al pianeta si crea una “cavità” chiamata magnetosfera, che può raggiungere dimensioni molto più grandi rispetto al pianeta stesso.

Al contrario, pianeti che non posseggono un campo magnetico intrinseco sono circondati da piccole magnetosfere indotte dall’interazione della ionosfera con il vento solare, che non sono in grado di proteggere efficacemente il pianeta. Degli otto pianeti del sistema solare, solo Venere e Marte mancano di un campo magnetico intrinseco, mentre ne possiede uno la più grande luna di Giove, Ganimede.

Il campo magnetico intrinseco di Ganimede è diverse volte più forte di quello di Mercurio, il più debole tra quelli posseduti dai pianeti e appena sufficiente a deflettere il vento solare. Il campo magnetico planetario più forte all’interno del sistema solare è quello di Giove. Le intensità dei campi magnetici degli altri giganti gassosi sono pressappoco simili a quella del campo terrestre, sebbene i loro momenti magnetici siano significativamente più grandi. I campi magnetici di Urano e Nettuno sono fortemente inclinati rispetto ai rispettivi assi di rotazione e scostati rispetto al centro del pianeta.

All’interno della troposfera sono concentrati i 3/4 dell’intera massa gassosa e quasi tutto il vapore acqueo dell’atmosfera. È lo strato dove avvengono la maggior parte dei fenomeni di carattere meteorologico, causati dalla circolazione delle masse d’aria e che danno vita ai venti, alle nuvole ed alle precipitazioni atmosferiche.

La temperatura varia da 15 °C a -70 °C, con un gradiente termico verticale medio di 6,5°/1000m. Ad un certo punto la temperatura si stabilizza a -55 °C circa: è la tropopausa, la zona di transizione fra troposfera e stratosfera. La troposfera è il luogo della vita, tutte le piante e tutti gli esseri umani vivono in essa, utilizzando alcuni dei gas che la costituiscono. La circolazione generale della troposfera è da considerarsi come la modalità tramite il quale il Sistema Terrestre tenta di ripristinare l’equilibrio termico tra poli ed equatore a causa della difformità nell’assorbimento della radiazione solare con la latitudine.

In generale la circolazione terrestre è mirata alla diminuzione dello squilibrio della temperatura terrestre tra poli ed equatore, infatti, d’inverno, avvengono colate fredde verticali, nell’ambito di un contesto di bassa pressione, da nord a sud, per quanto riguarda l’emisfero boreale, da sud a nord nell’emisfero australe; d’estate, invece, gli anticicloni termici tendono a riscaldare la latitudini intermedie da sud a nord nell’emisfero settentrionale e da nord a sud nell’emisfero meridionale, il contrario rispetto all’inverno.

In generale la circolazione dell’atmosfera può essere suddivisa in 3 grosse macrocelle per emisfero, la cella di Hadley che va dalla fascia equatoriale fino a quella tropicale, la cella di Ferrel che copre le medie latitudini e la cella Polare che staziona sui poli fino al circolo polare. Ognuna di queste celle comunica con la confinante scambiandosi masse d’aria a temperatura e umidità diverse.

La circolazione generale è suddivisa in due parti, circolazione antizonale e circolazione zonale, quando si verifica il primo caso si hanno le condizioni meteorologiche come la dinamicità del tempo atmosferico e tendenza alla diminuzione dello squilibrio termico poli-equatore; questo tipo di circolazione è più frequente d’estate e d’inverno. Nel caso di circolazione zonale essa tende ad essere omogenea e distesa nei paralleli, così come la pressione atmosferica, le temperature e le condizioni meteo.

tipologie di atmosfera:

ATMOSFERA PLANETARIA: I gas costituenti una atmosfera planetaria subiscono una dispersione costante: a seconda della grandezza del pianeta in questione e della vicinanza alla stella intorno a cui orbita, questo processo può assottigliare ed estinguere l’atmosfera del pianeta stesso in tempi più o meno rapidi, ma sempre nell’ordine dei milioni di anni.

L’atmosfera viene rifornita di nuovi gas dalle eruzioni vulcaniche; quindi i pianeti geologicamente attivi tendono a mantenere più facilmente una atmosfera. Sui pianeti più lontani dal Sole, la bassa temperatura ed il minore irraggiamento non permettono alle molecole di sfuggire nello spazio. Il pianeta Mercurio invece, essendo di dimensioni ridotte e molto vicino al Sole, quindi con poca attrazione gravitazionale, presenta solo delle tracce di atmosfera; è l’unico pianeta del sistema solare che presenta questa caratteristica.

La presenza di ossigeno libero è prerogativa unica dell’atmosfera della Terra, mentre in tutte le altre atmosfere di pianeti del sistema solare studiate finora non se ne è trovata traccia. Un’atmosfera planetaria che contenga ossigeno gassoso in grosse quantità non è chimicamente in equilibrio, infatti, l’ossigeno è un gas estremamente reattivo, che nel tempo si combina completamente con le rocce e gli altri composti della superficie, ossidandoli e sparendo dall’atmosfera.

La sua presenza sulla Terra è conseguenza della attività biologica di piante, che lo producono in grandi quantità come sottoprodotto della fotosintesi, per questo motivo si considera la presenza di ossigeno gassoso in quantità apprezzabili nell’atmosfera di un dato pianeta come indicatore della presenza di vita su di esso. Inoltre l’atmosfera ha una funzione di “filtro” perché permette alla luce e al calore del Sole di raggiungere il pianeta, ma impedisce che le radiazioni solari nocive alla vita arrivino in grandi quantità (raggi X o UV).

ATMOSFERA STELLARE: Anche gli strati esterni di una stella sono formati di gas, per quanto estremamente caldo e per lo più sotto forma di plasma. Gli eventuali elementi più pesanti, come l’ossigeno, il boro, il carbonio ecc. sono presenti in piccole percentuali o in tracce e restano in massima parte sepolti negli strati interni della stella stessa. L’atmosfera stellare si divide in due parti:

la Cromosfera (lo strato più basso e più freddo, non è visibile direttamente, a causa dell’estrema luminosità della fotosfera sottostante, ma si può vedere durante le eclissi o con speciali strumenti. La cromosfera è anche sede di intense eruzioni che liberano una grande quantità di energia) e la corona (lo strato più esteso, si estende oltre la cromosfera ed è composta di gas estremamente rarefatto e caldissimo la temperatura dei gas coronali può andare da uno a ad alcuni milioni di gradi).

ATMOSFERA TERRESTRE: La parola atmosfera designa l’insieme dei gas che circondano un corpo celeste, le cui molecole sono trattenute dalla forza di gravità del corpo stesso.

L’Atmosfera terrestre non è un “involucro” omogeneo e per questo viene suddivisa in vari strati che presentano caratteristiche diverse. Gli strati dell’atmosfera terrestre, partendo dal suolo, sono 5: Troposfera; Stratosfera; Mesosfera; Termosfera; Esosfera. La sua composizione chimica media al suolo è la seguente:

Azoto (N2): 78,08%

Ossigeno (O2): 20,95%

Argon (Ar): 0,93%

Vapore acqueo (H2O): variabile da circa 0% a 5-6%

Biossido di carbonio (CO2): 0,032% (320 ppm)

Neon (Ne): 0,00181% (18 ppm)

Elio (He): 0,0005% (5 ppm)

Metano (CH4): 0,0002% (2 ppm)

Idrogeno (H2): 0,00005% (0,5 ppm)

Kripton (Kr): 0,000011% (0,11 ppm)

Xeno (Xe): 0,000008% (0,08 ppm)

Ozono (O3): 0,000004% (0,04 ppm)

Sono anche presenti Ossidi di azoto (NO, NO2; N2O),

Monossido di carbonio (CO),

Ammoniaca (NH3),

Biossido di zolfo (SO2), Solfuro di idrogeno (H2S).

L’ozono è contenuto in massima parte nella stratosfera, in cui costituisce un importante strato.