Dispensa n.2 - Composizione
e struttura dell'atmosfera.
(Ultimo aggiornamento: 02/10/10
)
Avvertenza: i seguenti appunti, tratti direttamente dalla
lezione, conservano l'approccio colloquiale. Pertanto, spesso
alcuni concetti potranno risultare ripetuti e le digressioni a
titolo d'esempio molto numerose.
Nella lezione odierna tratteremo della composizione e della
struttura dell'atmosfera. Nella lezione precedente abbiamo visto
quali sono i componenti costanti dell'atmosfera: azoto e
ossigeno.
Fissiamo subito un concetto: che cos'è l'atmosfera? E'
un miscuglio di gas che avvolge la Terra e la segue nei suoi
movimenti principali (di rivoluzione e di rotazione) e nel cosmo.
In termini più precisi, si dice che l'atmosfera è solidale
(termine usato in fisica), ai movimenti della Terra ovvero
significa che l'atmosfera è legata, vincolata alla Terra. Detto
miscuglio di gas consente tante cose, come abbiamo visto nella
scorsa lezione, ma soprattutto, per ciò che vi interessa,
consente agli aerei di volare, perché rappresenta la materia su
cui poggiano le ali. Probabilmente avete già affrontato il
discorso della portanza, perché è proprio per la presenza
dell'aria che pressioni e depressioni si creano sulle superfici
alari permettendo al velivolo di volare. Nei voli spaziali, ad
esempio quelli in cui è impegnato lo Space Shuttle, una parte
dell'energia prodotta dai propellenti viene impiegata per vincere
l'attrito con l'atmosfera e per raggiungere la velocità di fuga
che consente al mezzo di allontanarsi dalla Terra vincendo la
forza di gravità. Nello spazio siderale, invece, mancando
l'atmosfera e la forza di gravità terrestre, i corpi sono liberi di
muoversi con ricorso ad energia molto minore rispetto
all'ambiente terrestre. Sostanzialmente diverso il discorso nei
voli tradizionali, dove l'atmosfera con la portanza aiuta a
vincere la forza di gravità ed ai velivoli di sollevarsi dal
suolo. Inizialmente, ai primordi della storia aeronautica,
prevaleva il concetto del più leggero dell'aria, sfruttando la
densità dell'aria. Infatti, si riempivano le mongolfiere con gas
più leggeri dell'aria (dapprima idrogeno, poi elio, visto che il
primo era esplosivo, come ci ammonisce lo sfortunato
dirigibile Hindenburg [1]), per sfruttare un principio fondamentale
della fisica, quello di Archimede, che consente ad un corpo più
leggero (meno denso) di galleggiare. Per cui la mongolfiera si
sollevava fino a raggiungere strati meno densi dell'atmosfera.
Ma torniamo alla composizione dell'atmosfera, in modo da
fissare alcuni concetti. Abbiamo parlato di componenti costanti: perché
questi componenti vengono così definiti ? La spiegazione sta
nel fatto che tali componenti gassosi sono presenti in misura
costante almeno fino a 100 km di altezza. Ciò è dovuto al
rimescolamento degli strati atmosferici. Cosa potrebbe accadere
se non vi fosse il rimescolamento ? I componenti gassosi si
stratificherebbero a seconda del loro peso, determinato dalla
forza di gravità: i più pesanti in basso, i più leggeri in
alto. Invece, il rimescolamento, fino a circa 100 km, fa sì che
la composizione del miscuglio possa considerarsi costante (azoto
78%, ossigeno 21%, altri 1%). Oltretutto, se non ci fosse il
rimescolamento, ovvero lo scambio di calore tra masse d'aria a
contenuto termico differente, il calore si accumulerebbe
sull'Equatore (colpito perpendicolarmente dai raggi del Sole ).
Infatti l'inclinazione dell'asse terrestre rispetto all'eclittica
è di 66 gradi e 33 primi e pertanto i raggi del Sole giungono
sul polo molto obliqui, mentre sull'Equatore abbiamo visto
arrivano diretti. E' proprio la differenza termica tra i Poli e
l'Equatore che genera tutte le perturbazioni, che rappresentano
il fronte avanzato di masse d'aria con caratteristiche termiche
differenti. Da nord abbiamo generalmente masse d'aria fredda, da
sud masse d'aria calda. L'incontro di queste masse d'aria produce
quei fenomeni che sulle carte meteorologiche vengono
rappresentati con fronti o perturbazioni. E' importante a questo
punto dire che i componenti costanti hanno poco a che fare con il
tempo meteorologico. Azoto, ossigeno, idrogeno elio e tutti gli
altri gas che compongono l'atmosfera in misura costante,
consentono la vita sulla Terra, soprattutto per quanto riguarda
l'ossigeno, però non determinano le condizioni meteorologiche. I
fattori che invece incidono sul tempo, sono i cosiddetti
componenti variabili. Quali sono i componenti variabili ?
Il più importante di tutti è il vapor acqueo, tutta l'acqua
contenuta allo stato gassoso nell'atmosfera. Chiariamo subito un
concetto: noi siamo abituati a chiamare vapore quella nebbiolina
che si vede quando ad esempio l'acqua bolle. Nella terminologia
comune può anche andare bene chiamare vapore quella nebbiolina,
ma in realtà con vapore acqueo s'intende acqua allo stato
gassoso. Quindi, essendo allo stato gassoso, è invisibile.
Ad esempio, in quest'aula sono presenti tutti i componenti che
abbiamo visto, tra cui il vapor acqueo, soltanto che non si vede perché è allo stato gassoso. Quando osserviamo la nebbia, il
vapor acqueo è passato dallo stato gassoso allo stato liquido:
si sono formate delle goccioline. Il vapor acqueo può essere
presente dall'1 al 5 percento della composizione in massa. Una
idea della variabilità la possiamo avere se immaginiamo due
superfici, una marina, e l'altra continentale. Dove ci
aspettiamo di trovare maggior vapor acqueo ? Sul mare, poiché il riscaldamento della superficie dovuta al Sole ne
provoca una continua evaporazione.
Le località costiere sono notoriamente più umide di quelle
poste all'interno. Di primo mattino nei mesi freddi, in campagna
si può osservare una leggera nebbiolina che aleggia nelle
immediate vicinanze del suolo: bene, questo è indice di umidità
elevata. Dove incontriamo zone veramente secche sul pianeta ?
Sui territori desertici.
Oltre al vapor d'acqua, vi sono nell'atmosfera ancora altri
componenti variabili importanti: anzi, possiamo dire che il solo
vapor acqueo non è sufficiente affinché si formino goccioline
d'acqua, come dimostrano alcuni esperimenti: se in un contenitore pieno d'aria ma isolato dall'aria circostante portiamo
l'umidità al 100%, non noteremo nessuna formazione di
goccioline. Si ha la sovrassaturazione. Quando si parla di
saturazione dell'aria ? La quantità di acqua che una
massa d'aria può contenere allo stato gassoso dipende dalla sua
temperatura. Più elevata è la temperatura più acqua può
contenere allo stato gassoso.
Chiariamo le idee con un esempio: in un contenitore isolato ho
dell'aria poniamo alla temperatura di 25 gradi ed un'umidità
relativa dell'80%. Cosa significa un'umidità dell'80%?
Significa che a questa temperatura, l'aria contiene l'80% del
vapor acqueo che potrebbe contenere. Se l'umidità relativa fosse
del 100%, quella determinata massa d'aria conterrebbe il massimo
del vapor d'acqua che a quella temperatura le è consentito
avere. Cosa accade se la temperatura di quella massa d'aria
diminuisce? L'umidità relativa aumenta, poiché col
diminuire della temperatura diminuisce anche la capacità di quella porzione d'aria a contenere acqua allo stato gassoso.
Infatti, la quantità di vapore acqueo rimane la stessa, ma se a
25 gradi resta gassosa, a 20 comincia a condensare la quantità
in eccesso rispetto alle possibilità dell'aria a mantenerla
gassosa. L'umidità relativa raggiunge il 100% e in teoria
dovrebbe cominciare a condensare (passa cioè dallo stato gassoso
allo stato liquido).
In realtà si è potuto constatare che la semplice
saturazione, nell'atmosfera, non è sufficiente ad innescare il
meccanismo di formazione delle gocce. Se nell'atmosfera non vi
fosse il pulviscolo atmosferico, non ci sarebbero condensazione e
precipitazioni. Il pulviscolo atmosferico è costituito da
granelli di sale rilasciati dalle onde marine sotto l'incalzare
dei venti, da rocce disgregate e altro, da tutti quei componenti
solidi rilasciati dai fumi industriali. Perché sulle aree a
forte concentrazione industriale la visibilità risulta sempre
offuscata ? Proprio perché vi è un gran numero di queste
particelle solide che favoriscono la condensazione. Queste
piccole particelle costituiscono infatti il nucleo per la
condensazione del vapor acqueo. Le goccioline nelle nebbie sono
molto piccole. La grandezza delle gocce può variare a seconda
delle nubi. I cumulonembi, a titolo d'esempio, contengono gocce
di notevoli dimensioni. In queste nubi, ad elevata estensione
verticale, troviamo un concentrato di fenomeni pericolosi per il
volo, tra cui forti shear del vento, grandine, scariche
elettriche, formazione di ghiaccio sulle parti esposte dell'aereo
che si trova ad attraversarli. Un pilota, tutte le volte che
può, cerca di evitarli. Forti grandinate, a causa delle
dimensioni dei chicchi di grandine, possono provocare danni
ingenti alle strutture esterne dell'aereo. Riguardo alle scariche
elettriche (fulmini), l'aereo normalmente si comporta come una
gabbia di Faraday. Cosa è una gabbia di Faraday? Visitando le
strutture aeroportuali, forse avrete notato che intorno ad alcuni
edifici particolari si sviluppa una vera e propria gabbia
metallica il cui compito è proteggere ciò che è all'interno
degli edifici dai fulmini. Questi edifici solitamente sono
centrali elettriche, depositi di carburanti o di idrogeno. Ma in
cosa consiste la protezione offerta da una gabbia di Faraday? Se
una scarica elettrica si abbatte sull'edificio, la gabbia la
assorbe, impedendo che essa possa propagarsi all'interno
dell'edificio stesso. Un esempio comune di gabbia di Faraday è
la carrozzeria della vostra autovettura. Se un fulmine
casualmente colpisce l'auto, esso si distribuisce sulla
carrozzeria, lasciando incolumi gli occupanti all'interno. Anche
l'aereo si comporta nella stessa maniera, tuttavia una scarica
molto forte può mandare in tilt le apparecchiature di bordo. Per
cui i temporali in definitiva è sempre meglio evitarli.
La loro estensione verticale però spesso non lo consente, in
quanto un CB può avere la base intorno agli 800-1000 piedi (FL
010) e avere il top intorno ai 36000 piedi (FL 360). Come vedete,
un'estensione verticale notevolissima. Tenete conto che gli aerei
di linea volano intorno a FL 300-330. E allora quali ausili si
usano per evitare i CB? Gli aerei di linea possiedono normalmente
un radar meteorologico con cui è possibile individuare i nuclei
più intensi grazie anche alla riflettività alle onde radar
delle grosse gocce contenute in questa nube. Se è possibile ciò
avviene anche mediante un coordinamento con le autorità di
controllo del traffico aereo in ordine ad un cambiamento di quota
o di rotta.
In questi frangenti, le previsioni del tempo assumono un
significato fondamentale, in quanto, mentre gli aerei più
attrezzati sono in grado di evitare i CB, quelli più piccoli
potrebbero incorrere in serie difficoltà.
Bene, abbiamo detto tutto questo soltanto per evidenziare le
implicazioni della grandezza delle gocce d'acqua.
Un altro componente variabile è rappresentato dall'anidride
carbonica. La molecola dell'anidride carbonica è formata da un
atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. Viene anche
chiamata diossido di carbonio. E' un componente presente sin
dalla primitiva atmosfera in misura notevolmente maggiore che
adesso. Col tempo il diossido di carbonio è andato diminuendo a
vantaggio dell'ossigeno.
Ma chi ha operato questa trasformazione?
Le piante, perché nella loro respirazione, assorbono anidride
carbonica e rilasciano ossigeno. Ma che ne fanno del carbonio,
gli organismi vegetali? Tutte le strutture biologiche,
dall'essere più piccolo che riuscite ad immaginare fino
all'uomo, sono fondate sul carbonio. Alcuni scienziati,
nell'ipotizzare la vita su altri sistemi stellari in cui il
carbonio risulta presente in minor misura, hanno pensato che
questi organismi extraterrestri si possano fondare sul silicio.
Ma non è esattamente la stessa cosa. Ciò vi da un'idea
dell'importanza che il carbonio assume per l'esistenza stessa
della vita come noi la conosciamo su questo nostro pianeta.
Abbiamo detto che si tratta di un componente presente in misura
variabile: quindi, dove ci aspettiamo di trovarne in maggior
misura?
Soprattutto sui grandi agglomerati urbani, perché è un
prodotto della combustione. Laddove si sviluppano incendi, la
concentrazione di anidride carbonica tende ad aumentare.
L'anidride carbonica produce delle conseguenze importanti sul
riscaldamento dell'atmosfera: l'effetto serra.
L'effetto serra è responsabile quindi dell'aumento della
temperatura globale del pianeta. In cosa consiste in poche parole
l'effetto serra ? Dal sole, che è la nostra fonte di energia,
arrivano i raggi solari: una parte viene riflessa nello spazio,
una assorbita dall'atmosfera e una parte giunge sulla superficie
terrestre, che a sua volta un po' ne assorbe e un po' la irradia
nuovamente verso l'alto. La presenza di anidride carbonica
contribuisce a trattenere nell'atmosfera questa energia irradiata
dalla Terra, causando un incremento nel riscaldamento dell'aria.
Se l'anidride carbonica dovesse aumentare, detto fenomeno
diventerebbe ancora più evidente, causando un surriscaldamento
globale del pianeta con conseguenze disastrose sui suoi abitanti (desertificazione, scioglimento dei ghiacciai, innalzamento del
livello del mare e inondazione delle località costiere).
Ricerche scientifiche svoltesi nell'ultimo decennio hanno
evidenziato che il riscaldamento globale verificatosi negli
ultimi anni è superiore a quello medio degli ultimi due secoli.
Molti enti governativi di tutto il mondo stanno cercando
soluzioni di vario tipo per contenere l'inquinamento e il
conseguente incremento di anidride carbonica.
Anche l'ozono svolge un ruolo fondamentale. L'ozono è
ossigeno triatomico. L'ossigeno per avere una configurazione
stabile, necessita soltanto di un altro atomo di ossigeno. In
natura però, con un apporto energetico esterno, troviamo anche
tre atomi di ossigeno legati in qualche misura tra loro, seppure
in una configurazione non molto stabile. Ma perché l'ozono è
importante ? Esso si trova concentrato in alcuni strati della
stratosfera e riesce a filtrare i raggi ultravioletti provenienti
dal sole, che, qualora giungessero sulla Terra, creerebbero non
pochi problemi agli abitanti della stessa.
Il buco dell'ozono rappresenta un altro di quei problemi di
notevole gravità con cui l'umanità si deve confrontare.
Spedizioni scientifiche americane sull'Antartide hanno dimostrato
che il buco dell'ozono sopra quel continente è in aumento. Ciò
rappresenta una grave minaccia per la vita, poiché consente agli
ultravioletti di raggiungere indisturbati sulla superficie
terrestre, con grave danno per la vita. Ancora una volta i
governi di tutto il mondo sono intervenuti, poiché la causa
della distruzione dell'ozono è dovuta alla mano dell'uomo,
all'inquinamento. La causa principale è stata individuata nei
CFC, ovvero clorofluorocarburi, che sono presenti ad esempio nei
propellenti delle bombolette spray. Altra fonte di CFC è nei
liquidi refrigeranti dei frigoriferi. I CFC distruggono l'ozono poiché si legano al terzo atomo di ossigeno, trasformando
l'ozono in ossigeno biatomico.
Riassumendo, abbiamo visto che i componenti variabili
dell'atmosfera sono:
-
vapore acqueo
-
pulviscolo atmosferico
-
anidride carbonica
-
ozono.
Abbiamo anche visto quali sono le implicazioni che questi
componenti hanno con la vita di tutti i giorni.
A questo punto, per completare il quadro di come è fatta
l'atmosfera, dobbiamo esaminarne la sua struttura. Una delle
suddivisioni dell'atmosfera è basata sull'andamento della
temperatura con l'altezza. Se disegniamo un sistema di
riferimento cartesiano, con in ordinata l'altezza in km e in
ascissa la temperatura, otteniamo il seguente grafico con cui
possiamo seguire il profilo verticale della temperatura.
Nello strato immediatamente a contatto con il suolo fino ad
una quota media all'incirca sui 15 km, la temperatura diminuisce
con l'altezza di circa 0.65 gradi per ogni 100 metri. Questo
decremento viene chiamato gradiente verticale per aria secca o
non satura. Intorno ai 15 km, la temperatura smette di diminuire
e in un piccolo strato si presenta o isoterma o comincia ad
aumentare con l'altezza. Questa interruzione viene chiamata tropopausa,
mentre lo strato tra il suolo e la tropopausa prende il nome di troposfera.
Potremmo chiederci come mai la temperatura diminuisce con la
quota. Anzi, non dovrebbe essere il contrario visto che
innalzandoci ci avviciniamo al Sole? La risposta sta nel fatto
che l'aria, in buona sostanza, è trasparente ai raggi del Sole,
assorbendone in piccola quantità. La fonte principale di
riscaldamento degli strati atmosferici prossimi al suolo è il
suolo stesso. Per cui, agendo il riscaldamento dal basso, gli
strati più bassi si riscaldano maggiormente di quelli superiori.
Pertanto risulta chiaro che man mano che ci allontaniamo dalla
superficie terrestre, l'aria risentirà sempre meno del
riscaldamento operato dalla superficie terrestre, per cui andrà
raffreddandosi con la quota.
Il tempo meteorologico si svolge tutto nella troposfera, che
rispetto alle dimensioni del pianeta, rappresenta una
sottilissima pellicola se confrontata ai 6000 km del raggio
terrestre. Pensate quale enorme valore ha per la Terra questo
sottilissimo strato protettivo.
Nella troposfera, a causa del riscaldamento dal basso, si
generano i moti convettivi, che operano un rimescolamento di
tutta l'aria in questo strato generando correnti oltrechè
orizzontali anche verticali, che costituiscono, questi ultimi, la
sostanziale differenza con gli strati più alti dell'atmosfera.
Fissiamo sin d'ora un concetto basilare, che costituisce in
buona sostanza il motore dei moti convettivi: l'aria calda è
meno densa e quindi più leggera dell'aria fredda. Pertanto
tenderà a sollevarsi.
Nello strato al di sopra della tropopausa, che prende il nome
di stratosfera, poiché la temperatura si mantiene costante
almeno fino ai 25 km e poi tende ad aumentare, sostanzialmente
non vi sono movimenti verticali dell'aria, per cui tende ad
assumere un andamento stratificato, da cui deriva il suo nome. Ma
anche la stratosfera possiede un confine superiore, benché meno
netto rispetto alla tropopausa: tale confine superiore assume il
nome di stratopausa, e si trova all'incirca all'altezza di
50 km rispetto al suolo.
Tuttavia, studi recenti hanno rivelato che anche nella
stratosfera vi è un certo rimescolamento, dovuto soprattutto
alla presenza di forti venti orizzontali.
Al di sopra della stratopausa la temperatura riprende
nuovamente a diminuire.
Ma qual è il significato pratico dell'individuazione
dell'altezza della tropopausa ? Soprattutto nei voli di linea,
dove la comodità dei passeggeri è fondamentale (non è così
per i voli militari), evitare le zone di turbolenza diventa
importante: siccome al di sopra della tropopausa, come abbiamo
visto, sono assenti le forti correnti verticali, gli aerei
raggiungono quelle quote per volare tranquilli [2]. Ad esempio, il Concorde
è un tipo di aereo che può raggiungere quote elevate, e
scegliere di effettuare un volo nella stratosfera. Una delle
rotte commerciali più importanti è rappresentata da quella che
passa per il Polo Nord. Tra le considerazioni da fare a tale
proposito è che andando verso il polo, la tropopausa si trova a
quote via via più basse, rendendo più agevole il volo
stratosferico. Ma perché la tropopausa è più bassa ai poli
rispetto all'equatore? La spiegazione la ritroviamo nel moto di
rotazione della terra attorno al proprio asse. Questo movimento
di rotazione provoca una forza centrifuga, che dà alla Terra una
forma particolare, detta geoide, dovuta al leggero
schiacciamento dei poli. Anche l'atmosfera risente della forza
centrifuga, per cui risulta più schiacciata verso i poli e più
elevata in corrispondenza dell'equatore. Pertanto le quote
caratteristiche che abbiamo visto risultano condizionate dal
diverso spessore dell'atmosfera. Sui poli la tropopausa si trova
all'incirca intorno ai 6-8 km, mentre sull'equatore raggiunge la
quota di 16-18 km. Disegnando un grafico che vede in ascissa un
qualsiasi meridiano e in ordinata la quota, ci aspetteremo di
vedere una diminuzione costante dell'altezza della tropopausa.
Invece è stato rilevato che la tropopausa, subisce due drastiche
diminuzioni della quota, intorno ai tropici ed alle medie
latitudini, dovuta alla presenza della corrente a getto (jet stream), un vero e proprio fiume di aria a velocità elevata.
Nella prossima lezione tratteremo la temperatura
dell'aria.
Questionario:
Note:
[1] L'Hindenburg era un dirigibile rigido, costruito dalla società Luftschiffbau Zeppelin con sede in Germania. Completato e collaudato nel 1936, fu il primo dirigibile del mondo che effettuò un servizio di linea transatlantico. L'Hindenburg era lungo 245
m ed era mantenuto in aria da 200.000 mc di idrogeno. Nel maggio del 1936 l'Hindenburg inaugurò il primo servizio aereo regolare attraverso l'Atlantico settentrionale, da Francoforte sul Meno, in Germania, a Lakehurst, nel New Jersey.
Il 6 maggio del 1937, mentre faceva manovra per atterrare a Lakehurst, l'idrogeno prese fuoco e l'Hindenburg andò distrutto nello spaventoso rogo che ne seguì. Trentacinque persone fra i passeggeri e i membri dell'equipaggio persero la vita, insieme con un membro dell'equipaggio a terra. La distruzione dell'Hindenburg segnò la fine dell'impiego del dirigibile nelle linee aree commerciali del mondo.
[2] Non si deve trascurare, tuttavia, che la presenza di
turbolenza specie durante la fase di salita comporta degli inconvenienti nei
riguardi delle prestazioni degli aerei; inoltre, le "velocità raccomandate
in presenza di turbolenza" (VBO) incidono sull'economia e sul tempo di volo
quando vengano mantenute per lunghi tratti.
|
