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ATMOSFERA - Struttura dell'atmosfera terrestre, Le atmosfere di Venere, Marte e Giove

ATMOSFERA - Struttura dell'atmosfera terrestre, Le atmosfere di Venere, Marte e Giove


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ATMOSFERA


Massa gassosa che circonda il globo terrestre e, in genere, tutti gli astri.


Struttura dell'atmosfera terrestre

Per lo studio e la descrizione dell'atmosfera è indispensabile definirne una struttura; il compito, tuttavia, è relativamente complesso poiché occorre considerare un certo numero di parametri, tra loro dipendenti, i cui valori possono considerevolmente variare in funzione dell'ora, della latitudine, dell'attività solare, ecc. È consuetudine suddividere l'atmosfera terrestre in zone, designate col suffisso sfera, entro le quali un determinato parametro resta costante o varia in modo monotòno; queste zone sono separate da superfici designate col suffisso–pausa.

- Struttura termica. L'atmosfera può essere suddivisa, dal basso all'alto, in regioni entro le quali la temperatura è alternativamente decrescente o crescente. La troposfera, il cui studio compete alla meteorologia, inizia alla superficie terrestre e presenta una decrescenza termica dell'ordine di 6,5 °C al km. Essa è inoltre caratterizzata, nei bassi strati, dalla turbolenza che è collegata ai rilievi montuosi e ai contrasti terre-mari ed è pure determinata dalla presenza di vapore acqueo, generatore di idrometeore; di questo, essenzialmente, sono formate le nubi. La troposfera confina con la tropopausa, la cui temperatura media è dell'ordine di ­57 °C e la cui altitudine (funzione della temperatura e della pressione atmosferica sulla superficie terrestre) varia dai 17 km all'equatore agli 8 km ai poli. Si trova, successivamente, la stratosfera, entro la quale la temperatura aumenta lentamente, fino a raggiungere 0 °C alla stratopausa, a circa 50 km d'altitudine. Le proprietà dinamiche di questa regione sono studiate in meteorologia e quelle chimiche in aeronomia; il calore che vi si sviluppa proviene essenzialmente dall'assorbimento della radiazione ultravioletta solare, di lunghezza d'onda compresa tra 200 e 300 nm (1 nm = 10­9m), dallo strato di ozono stratosferico. Ancora più in alto si trovano regioni il cui studio è di esclusiva pertinenza dell'aeronomia: la mesosfera, entro la quale il gradiente termico torna negativo, cosicché la temperatura decresce fino a ­100 °C alla mesopausa (circa 85 km d'altitudine); la termosfera, la cui temperatura presenta un notevole gradiente positivo, dovuto all'assorbimento della radiazione ultravioletta solare di lunghezza d'onda minore di 200 nm; questo gradiente decresce con la densità dell'aria, e quindi con l'altitudine, per annullarsi alla termopausa la cui altitudine (400÷800 km) e temperatura (400÷1.800 °C) dipendono dall'attività solare.



- Struttura chimica. Poiché i processi di miscelazione dei diversi gas che la compongono sono relativamente veloci, la composizione dell'aria praticamente non varia nell' omosfera, ad altitudini inferiori ai 100 km. L'azoto e l'ossigeno costituiscono, in volume, il 99% dell'aria secca. Gli altri gas sono rappresentati dal biossido di carbonio, dall'argo, dal neon, dall'elio, dal cripto, dall'idrogeno, dallo xeno, dall'ozono e dal radon; a questi vanno aggiunte microparticelle solide che si trovano in gran numero nell'atmosfera. Quanto all'aria umida, questa è costituita da una miscela di aria secca, di vapore acqueo e di goccioline d'acqua e di ghiaccio.

Alla turbopausa, a circa 100 km di altitudine, la pressione atmosferica è divenuta sufficientemente bassa, al punto da limitare la tendenza dei gas a miscelarsi tra loro. Ad altitudini maggiori, nell'eterosfera, prevalgono i processi di diffusione nel campo gravitazionale. A 150 km di altitudine, ad esempio, il costituente principale dell'aria non è più l'azoto molecolare, bensì l'ossigeno atomico, prodotto per fotodissociazione; a circa 500 km di altitudine, il costituente principale dell'aria è divenuto l'elio e, ancora più in alto, l'idrogeno atomico.

- Struttura elettromagnetica. Tra i 60 e i 600 km di altitudine, l'assorbimento della radiazione ultravioletta solare consente la formazione di regioni (D, E e F) notevolmente ionizzate, che riflettono certe radiazioni elettromagnetiche (le cosiddette “onde corte”, usate nelle telecomunicazioni); nel loro complesso rappresentano la ionosfera. Tra i 500 e gli 800 km di altitudine, nella magnetosfera, il campo magnetico terrestre esercita un'azione preponderante sul plasma atmosferico molto rarefatto e un certo numero di particelle resta intrappolato lungo le sue linee di forza. A causa della pressione del vento solare, il campo magnetico terrestre resta confinato all'interno di una vasta cavità, delimitata dalla magnetopausa; quest'ultima si trova a una distanza di circa 10 raggi terrestri (più di 60.000 km) dal centro della Terra a lato giorno, e a circa 100 raggi terrestri a lato notte. Si può senz'altro dire che è a questo livello che si trova il confine tra l'atmosfera, o piuttosto tra l'ambiente terrestre, e l'ambiente interetario.

- Zona termica della superficie del globo. I risultati (radiazione netta) dell'apporto e delle perdite di radiazioni solari, al livello del substrato e dell'atmosfera terrestre, spiegano la zonatura termica principale della superficie del globo (aria fredda alle alte latitudini; aria calda alle latitudini sub- e inter-tropicali): da ciò deriva la presenza di due grandi masse d'aria e l'esistenza di una zona, alle latitudini medie, nella quale si scontrano; si ha così l'evidenza del fronte polare. La convergenza inter-tropicale (C.I.T.), ovvero la zona intertropicale di convergenza (Z.I.C.) è, per definizione, la regione nella quale vengono a contatto le masse d'aria calda di ciascun emisfero. Per l'Africa si parla di fronte inter-tropicale (F.I.T.); si parla anche, più generalmente, di equatore meteorologico. L'aria fredda può essere suddivisa in aria freddissima (artica, antartica) e in aria meno fredda (polare), separate da un fronte (artico, antartico). Un frazionamento supplementare, di carattere azonale, deriva dalla ripartizione delle terre e dei mari; ne consegue un mosaico di masse d'aria e di fronti La ripartizione maggiore delle masse d'aria fredda e calda entro la troposfera comporta reciproci scambi meridiani che, combinati alla rotazione della Terra su se stessa, determinano la circolazione atmosferica generale, a componenti zonale e meridiana.

- Circolazione atmosferica generale. Così viene denominato l'insieme dei grandi movimenti orizzontali lungo un emisfero; a questi vanno aggiunti movimenti ascendenti e discendenti: il loro complesso è regolato dai campi di pressione che, in parte, presentano variazioni nei loro valori sulla superficie terrestre e in quota. Forti correnti da ovest (corrente a getto subtropicale e corrente a getto polare che definiremo globalmente come “corrente a getto occidentale”) separano, in quota, la circolazione depressionaria circumpolare (aria fredda) dalla circolazione anticiclonica subtropicale (aria calda).



La corrente occidentale è collegata al fronte polare (o, più precisamente, è la corrente polare collegata a questo fronte) e la convergenza intertropicale a un flusso da est, in quota, che fluisce sul bordo equatoriale degli anticicloni subtropicali. Sulla superficie terrestre si ritrovano gli anticicloni subtropicali che danno origine agli alisei di nord-est e di sud-est, come pure ai venti da ovest alle medie latitudini. Nelle regioni polari, invece, alte pressioni termiche che si sostituiscono alle basse pressioni d'altitudine portano a contatto, sul fronte polare, le correnti polari (colate fredde) con i venti tropicali d'occidente. I centri d'azione e i flussi superficiali si combinano alle masse d'aria e ai fronti maggiori con la conseguenza che la C.I.T. può sdoppiarsi laddove si ha infiltrazione di cellule d'aria equatoriale tra gli alisei

Fino al 1947 si pensava che l'aria equatoriale surriscaldata dovesse alzarsi e quindi dirigersi verso i poli (controalisei), ma che la rotazione terrestre le impedisse di raggiungere la destinazione; ne sarebbe così conseguita una ricaduta, all'altezza del 30° parallelo, e un'accumulazione in prossimità della superficie terrestre con manifestazione di anticicloni subtropicali. Da allora, in base a osservazioni effettive, si considera lo schema seguente: l'aria fluisce in direzione delle basse pressioni di superficie, conseguenti all'ascendenza equatoriale (alisei); i venti provenienti da ovest fluiscono verso le medie latitudini ove entrano in contatto, sul fronte polare, con le correnti fredde ad alta pressione di origine polare. Secondo questa teoria il sistema risulta dunque legato all'ascendenza termica equatoriale (fenomeno noto come “camino equatoriale”) e si realizza, d'altro canto, con un processo di scambi energetici attraverso una circolazione tricellulare che integra, in vicinanza della superficie terrestre, i movimenti meridiani medi, dei quali si è appena parlato, e, in quota, gli spostamenti correlativi di masse d'aria. Lo schema tricellulare, concepito da T. Bergeron nel 1928 e ripreso da C. G. Rossby nel 1941, è alla base delle concezioni attuali in materia. I punti di vista precedenti non tenevano conto della circolazione in altitudine, scoperta durante la seconda guerra mondiale (“correnti a getto”); d'altro canto era sbagliato il punto di partenza: le regioni più calde del globo non sono infatti quelle equatoriali ma quelle subtropicali, situate dove l'aria si abbassa, non dove si alza. La chiave di volta della teoria di Rossby (1947 e 1949) sono le correnti a getto emisferiche. Le correnti a getto provenienti da ovest raggiungono zone termiche di tipo polare e di tipo tropicale, ossia luoghi caratterizzati da elevati gradienti di temperatura e, conseguentemente, di pressione. La forza di una corrente a getto dipende da questi gradienti, come pure dai contrasti termici terre- mari che, nel corso dell'inverno dell'emisfero, sono i più elevati. In realtà, i contrasti termici tra alte e basse latitudini e tra terre e mari controllano direttamente l'attività dei vortici alle latitudini medie (attività accresciuta nel periodo invernale), ed è proprio la corrente a getto (e, più precisamente, la diramazione polare della corrente occidentale) che, a sua volta, subisce l'azione di questi vortici. In effetti sia la velocità, sia il percorso di questa corrente a getto sono influenzati dall'intensità delle perturbazioni. La sua rapidità di proazione, massima nel corso dell'inverno emisferico, è accomnata da una traiettoria tesa e volta in direzione delle basse latitudini mentre, nel corso dell'estate emisferica (ossia nel momento in cui l'attività ciclonica alle latitudini temperate e subpolari è più debole), la sua proazione è più lenta e la sua traiettoria più sinuosa e volta in prossimità del polo. Tuttavia, se essa è la conseguenza della circolazione ciclonica temperata e subpolare, ne è anche la causa, almeno nella misura in cui è in grado di regolare, con la sua forza, l'intensità dei movimenti ascendenti (depressioni in aria fredda) sul suo versante polare, e quella dei movimenti discendenti (anticicloni in aria calda) sul suo versante equatoriale. La corrente a getto, infatti, contribuendo alla formazione delle alte pressioni subtropicali che si ritrovano in prossimità della superficie terrestre, partecipa allo scontro delle masse d'aria generate da questi anticicloni con le correnti polari (colate polari) e, di conseguenza, alla creazione dello stesso fronte polare (o di fronti derivati) e, pertanto, alla nascita delle perturbazioni che da questo fronte hanno avuto origine. Ci si trova in presenza di una concatenazione dinamica entro la quale la corrente a getto è, contemporaneamente, conseguenza e fattore causale. L'origine di questa concatenazione è essenzialmente termica poiché sono le grandi differenze di temperatura, imposte dai bilanci zonali di radiazioni, che creano l'elevato gradiente termico (e di pressione), caratteristico delle latitudini medie e subpolari. In conclusione, la teoria di Rossby spiega un processo in quota che la teoria precedente ignorava. Per il resto, questa teoria chiarisce la presenza di anticicloni subtropicali spessi, di origine dinamica, che controllano alisei e venti da ovest; da ciò gli scontri di masse d'aria posti precedentemente in evidenza (C.I.T. tra gli alisei; fronti polari formati tra i venti da ovest e le masse d'aria di provenienza polare). Secondo Rossby, è lo scontro dinamico degli alisei la causa dell'ascendenza equatoriale e, di conseguenza, delle basse pressioni. Questa teoria attribuisce notevole importanza ai fenomeni dinamici ed esclude che i processi iniziali avvengano alle basse latitudini, riportandoli alle latitudini medie e polari. Le teorie attuali si basano sul concetto che la circolazione atmosferica sia governata da sorgenti e buche di energia. Al livello più generale, il bilancio energetico del complesso Terra-atmosfera prevede un eccesso di energia termica alle basse latitudini (sorgenti) e una carenza alle latitudini medie e alte (buche). La zona dell'inversione di tendenza corrisponde sensibilmente al passaggio dal sistema di temperature e di pressioni tropicale a quello polare, ossia alla zona dei forti movimenti da ovest in quota. Per assicurare la tendenza all'uniformazione energetica tra sorgenti e buche, sono necessari scambi energetici meridiani; questi si attuano sulla base del processo tricellulare (che ci riappare, così, migliorato, soprattutto per l'importanza attribuita alla cellula di Hadley) I trasporti energetici meridiani a mezzo dei flussi che delimitano le cellule si combinano, a causa della rotazione della Terra su se stessa, ai flussi zonali; si ritrova pertanto il processo descritto in precedenza (correnti a getto, dispositivi di pressioni e di venti di quota e di superficie). Le concezioni attuali restituiscono alle basse latitudini tutta la loro importanza poiché queste danno ricetto all'energia del motore etario, contenuta soprattutto nei “giri caldi”, ossia nei nembo-cumuli della C.I.T. (principalmente sotto forma di calore latente, dovuto essenzialmente ai processi di evaporazione che si stabiliscono nell'ambito degli anticicloni subtropicali oceanici e che vengono trasportati dagli alisei).



Variazioni del sistema atmosferico e dei climi. La circolazione  atmosferica ha registrato variazioni in passato e varierà ancora in futuro; il suo attuale assetto è tutt'altro che immutabile. Del resto, la circolazione generale oscilla senza posa, come mostrano gli “accidenti climatici” (siccità del Sahel tra il 1968 e il 1973). La sua evoluzione è correlata alle modifiche che intervengono nei parametri che la dominano: fattori cosmici (radiazione solare), etari (stati dell'atmosfera, rotazione della Terra attorno al suo asse) e geografici (ripartizione delle terre, dei mari, del verde, dei ghiacciai). Tutto ciò implica variazioni climatiche. Pertanto, nel corso delle fasi glaciali quaternarie (sviluppo dei ghiacci nelle regioni polari, nei continenti alle latitudini medie e sulle montagne), l'espansione della zona fredda di un emisfero verso la direzione delle basse latitudini restrinse l'ampiezza della zona calda e aumentò il gradiente termico ai confini tra le due zone, cioè l'azione delle depressioni cicloniche del fronte polare e quindi la velocità della corrente a getto (imponendo, di conseguenza, a quest'ultima una latitudine meridionale). Così si spiegano il riferimento all'Africa boreale, la manifestazione di una fase pluviale di tipo “temperato” nell'Africa del nord e nel nord del Sahara, il trasferimento delle alte pressioni subtropicali più a sud, con siccità correlativa estesa a una parte dell'Africa tropicale, attualmente piovosa. Al contrario, durante le fasi interglaciali, la zona fredda risalì verso il polo e il suo gradiente termico, al contatto con la zona calda, risultò meno elevato di quanto non fosse durante la fase glaciale; la corrente a getto occidentale manifestò la tendenza ad assumere una traiettoria media meno vicina ai tropici; l'intensità generale delle basse pressioni alle latitudini medie s'indebolì e le alte pressioni subtropicali risalirono in direzione del polo. In Africa boreale ciò corrispose alla distribuzione delle alte pressioni subtropicali fino al nord del Sahara e persino, nell'estate boreale, sul Mediterraneo; e all'estensione verso nord dei processi tropicali piovosi (piogge sul Sudan). Lo schema interglaciale così tracciato è conforme a quanto si constata ai giorni nostri.



Anche l’azione umana può indurre variazioni climatiche: si stima che se l’immissione di biossido di carbonio proseguirà secondo le ultime tendenze e, tenendo conto dell’azione esercitata anche da altri gas, si può ipotizzare un aumento di temperatura nell’ordine di 2° C a livello globale terrestre, con una parziale fusione dei ghiacci polari e la sommersione di alcuni territori costieri. È anche ormai accertata l’influenza dei CFC (clorofluorocarburi) sullo strato dell’ozono atmosferico, che va progressivamente assottigliandosi in seguito alla trasformazione in ossigeno, limitandone in tal modo l’effetto protettivo per il pianeta terrestre. Questi composti, solitamente usati come gas refrigeranti o come propellenti nelle bombolette spray, una volta liberati in grandi quantità nell’atmosfera, attaccano l’ozono atmosferico, che protegge la superficie terrestre dalla radiazione ultravioletta proveniente dal Sole. Per ridurre l’entità del problema, i clorofluorocarburi sono stati sostituiti in molte delle loro applicazioni. Gli studi sulla minaccia che le attività umane possano portare per lo strato di ozono è un argomento ancora aperto a molti studi ed interpretazioni.


Le atmosfere di Venere, Marte e Giove

L'esplorazione delle atmosfere di questi pianeti è iniziata tra il 1960 e il 1980 e ha consentito di superare lo studio morfologico dell'atmosfera terrestre per giungere a una visione sintetica delle caratteristiche fisico-chimiche dell'ambiente etario attraverso la scoperta delle similitudini e delle differenze con la situazione terrestre.

- Venere. Già ampiamente nota dal dicembre 1978, grazie alle sonde etarie Pioneer-Venus e Venera, l'atmosfera venusiana è stata ancor meglio studiata nel giugno 1985 mediante due sonde sganciate sul pianeta nell'ambito della missione sovietica Venere-Halley. L'alta atmosfera, malgrado la bassa velocità di rotazione del pianeta su se stesso, ruota a elevata velocità nello stesso senso. Ad altitudini inferiori a 145 km, la sua composizione resta costante (circa il 97% di CO2 e il 3% di N2; tracce di H2O, O2, Ar,). Ad altitudini comprese tra 49 e 75 km si osserva la presenza di nuvole, costituite da gocce (H2SO4, HCl, HF) che ad altitudini minori di 49 km vaporizzano. Sul suolo venusiano la pressione atmosferica è 93 volte maggiore di quella terrestre e la temperatura è dell'ordine di 470 °C; il suo elevato valore è dovuto a un effetto serra, causato da una forte concentrazione di CO2 che non ha potuto, come avviene sulla Terra, solidificarsi sotto forma di carbonati.

- Marte. Si sa che l'atmosfera marziana (95% CO2, 2,7% N2, 1,6% Ar; tracce di H2O, O2,) è estremamente rarefatta, con una pressione al suolo dell'ordine di 7 mbar e una temperatura variante tra ­80 e +20 °C. Nonostante sia così tenue, l’atmosfera di Marte diffonde la luce solare, quindi durante il giorno il cielo è illuminato. Le missioni Mariner 9 (prime fotografie dei rilievi marziani nel 1971) e Viking (tentativo di prospezione biologica nel 1976) hanno portato a credere che su questo pianeta si sia prodotto un raffreddamento sotto l'effetto delle perturbazioni di altri corpi del sistema solare; l'acqua, un tempo presente nei canali, e le nuvole (che avrebbero determinato un effetto serra), si sarebbero allora solidificate, restando immagazzinate sotto le calotte polari.

- Giove. Le sonde spaziali Voyager hanno fornito, nel 1979, una grande quantità d'informazioni. La parte più estesa dell’atmosfera è uno strato turbolento di nuvole, solcato da bande alternativamente chiare e scure, percorso da venti intensi. La magnetosfera fa sentire la sua influenza già a parecchi milioni di chilometri di distanza dal pianeta gigante, induce la presenza di aurore polari e determina una corrente dell'ordine di 5 × 106 A tra Giove e il suo satellite Io. Potenti moti convettivi, dei quali fornisce un buon esempio la grande macchia rossa (lunga 26.000 km), si manifestano nella bassa atmosfera, molto densa; esiste, in effetti, una transizione progressiva da un involucro gassoso a un globo liquido. Alla base delle nuvole la pressione atmosferica è già 20 volte maggiore di quella terrestre, con una temperatura prossima a 125 °C. Presentando, come componenti principali, H2 e He (più tracce di NH3, CH4, C2H2, C2H6, H2O,), Giove ha conservato i gas leggeri di un'atmosfera etaria primitiva. L’atmosfera è trasparente e si trasforma gradualmente in un fluido di idrogeno molecolare.


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