Fenomeni di trasporto nei gas atmosferici

Capitolo 1
L’atmosfera terrestre e i gas
atmosferici
La parola atmosfera designa l’insieme dei gas che circondano un corpo
celeste, le cui molecole sono trattenute dalla forza di gravit a del corpo stesso.
In particolare, l’atmosfera terrestre  e l’involucro di gas che riveste il
pianeta Terra e al contempo partecipa alla sua rotazione attorno al pro-
prio asse. Ha una struttura piuttosto complessa ed  e divisa in pi u strati,
chiamati sfere, che in ordine di altezza, a partire dal livello del mare sono: la
troposfera, la stratosfera, la mesosfera, la termosfera (che include la ionosfera)
e la esosfera.
La suddivisione  e dovuta all’inversione del gradiente termico e tra due
sfere, dove quindi ha luogo l’inversione del segno del gradiente, si trova una
supercie di discontinuit a, chiamata pausa.
La composizione chimica media al suolo  e la seguente:
 Azoto (N
2
): 78; 08%;
 Ossigeno (O
2
): 20; 95%;
 Argon (Ar): 0; 93%;
 Vapore acqueo (H
2
O): 0; 33% in media (variabile da circa 0% a 5 6%);
 Anidride carbonica (CO
2
): 0; 032%;
 Neon (Ne): 0; 0081%;
1
1 L’atmosfera terrestre e i gas atmosferici 2
 Elio (He): 0; 0005%;
 Metano (CH
4
): 0; 0002%;
 Idrogeno (H
2
): 0; 00005%;
 Kripton (Kr): 0; 000011%;
 Xeno (Xe): 0; 000008%;
 Ozono (O
3
): 0; 000004%.
Sono anche presenti, in tracce, Ossidi di azoto (NO,NO
2
;N
2
O), Monos-
sido di carbonio (CO), Ammoniaca (NH
3
), Biossido di zolfo (SO
2
), Solfuro
di idrogeno (H
2
S).
Non tutti gli strati hanno le stesse concentrazioni di gas: ad esempio il
vapore acqueo  e presente quasi soltanto nella troposfera, lo strato pi u basso,
ed  e praticamente assente nella termosfera e nell’esosfera, che viceversa con-
tengono quasi tutto l’elio e l’idrogeno. La concentrazione del vapore acqueo
in troposfera inoltre non  e costante, ma varia anche sensibilmente da luogo
a luogo e nel tempo in conseguenza del variare del tempo atmosferico ovvero
attraverso i processi di evaporazione e condensazione, tappe intermedie del
Ciclo dell’acqua. L’ozono  e contenuto in massima parte nella stratosfera in
cui costituisce un importante strato: l’ozonosfera.
1.1 Strati atmosferici
In primo luogo si  e soliti suddividere l’atmosfera in due distinte fasce:
 l’omosfera compresa tra il suolo e i 100 km di quota dove la compo-
sizione media dell’atmosfera non cambia a causa dei continui moti di
rimescolamento verticale cui  e sottoposta.
 l’eterosfera al di sopra dei 100km di quota dove prevale la condizione
di equilibrio diusivo in virt u del quale la composizione varia con la
quota con sempre maggior presenza di gas leggeri quali elio e idrogeno
no a sfumare nel quasi-vuoto interplanetario.
Adesso analizziamo nel dettaglio i vari strati atmosferici:
1 L’atmosfera terrestre e i gas atmosferici 3
Troposfera:  e lo strato in cui si vericano quasi tutti i fenomeni me-
teorologici e contiene l’80% della massa gassosa totale e il 99% del vapore
acqueo: l’aria della troposfera  e riscaldata dalla supercie terrestre ed ha
una temperatura media globale di 15
 C al livello del mare, che diminuisce
con l’altitudine (in media 0; 65
 C ogni 100m di quota) no ai circa  60
 C
della tropopausa.
La troposfera ha uno spessore variabile a seconda della latitudine: ai poli
 e spessa solamente 8 km mentre raggiunge i 17 km all’equatore.
La pressione atmosferica decresce con l’altitudine secondo una legge in
prima approssimazione esponenziale; oltre i 7 8km di quota la pressione  e
tanto bassa che non  e pi u possibile respirare senza l’uso di maschere collegate
a bombole di ossigeno.
Salendo in quota, oltre a pressione e temperatura, diminuisce anche il
contenuto di vapore acqueo dell’aria. Ad un certo punto la temperatura
si stabilizza a 60
 C circa:  e la tropopausa, la zona di transizione fra
troposfera e stratosfera.
Stratosfera:  e lo strato atmosferico che sta al di sopra della troposfera
ed arriva ad un’altezza di 50 60 km. Qui avviene un fenomeno chiamato
inversione termica: mentre nella troposfera la temperatura diminuisce con
l’altezza, nella stratosfera aumenta, no alla temperatura di 0
 C. Questo
fenomeno  e dovuto alla presenza di uno strato di ozono ( O
3
), l’ozonosfera,
che assorbe la maggior parte delle radiazioni solari ultraviolette (circa il
99%). In alcuni punti dell’ozonosfera lo strato di ozono si  e assottigliato
(fenomeno del buco nell’ozono, scoperto nella zona antartica) al punto tale
che non ore pi u un’ecace protezione ai raggi ultravioletti ( UV ) che, in
queste condizioni, riescono a giungere a terra, causando seri danni alle piante
e a tutti gli esseri viventi.
Nella stratosfera le componenti sono sempre pi u rarefatte, il vapore
acqueo e il pulviscolo diminuiscono; esistono ancora alcuni rari fenomeni
meteorologici e certi particolari tipi di nubi (cirri).
1 L’atmosfera terrestre e i gas atmosferici 4
Mesosfera: in questa zona, che va dai 50 agli 80km di quota, l’atmosfera
non subisce pi u l’inusso della supercie terrestre ed  e costante a tutte le
latitudini. Essa  e caratterizzata da una accentuata rarefazione degli elementi
gassosi e da un graduale aumento di quelli pi u leggeri a scapito di quelli pi u
pesanti.
In questa parte dell’atmosfera la temperatura riprende a diminuire con
l’altezza e raggiunge il valore minimo, variabile tra i 70
 C ed i 90
 C,
intorno agli 80 km; a questa quota si possono osservare a volte le nubi
nottilucenti, costituite probabilmente da cristalli di ghiaccio e minutissime
polveri: esse sono visibili durante l’estate, al crepuscolo e si presentano come
nubi sottili e brillanti, intensamente illuminate dagli ultimi raggi del Sole.
L’osservazione di queste nubi mostra che nell’alta mesosfera esiste un com-
plesso sistema di correnti aeree, ad andamento variabile, che dovrebbero
raggiungere velocit a no a 300 km=h. Connesse a questi moti sono le varia-
zioni di altezza della mesopausa, come avviene anche nella tropopausa e
nella stratopausa. In queste condizioni i gas si straticano per diusione
e la composizione chimica media dell’aria inizia a variare man mano che si
sale.
Il biossido di carbonio scompare rapidamente, il vapore acqueo ancora
pi u in fretta e anche la percentuale di ossigeno inizia a diminuire con la quota.
Aumentano le percentuali di gas leggeri come elio e idrogeno. L’eetto
riscaldante dell’ozono  e terminato e la temperatura diminuisce sempre pi u
con la quota no a stabilizzarsi al limite superiore della mesosfera (  80
 C
nella mesopausa).
In questo strato hanno origine le stelle cadenti, cio e i piccoli meteoriti che
di solito non riescono a raggiungere la supercie terrestre e bruciano prima
di raggiungere la Terra, lasciando scie luminose. Oltre la mesopausa, alla
quota di circa 100km, l’aria  e tanto rarefatta da non opporre una resistenza
tangibile al moto dei corpi, e diventa possibile muoversi con il moto orbitale.
Per questo motivo, in astronautica la mesosfera viene considerata il conne
con lo spazio.
Termosfera: la termosfera  e la sfera successiva alla mesosfera e separa-
ta da quest’ultima dalla mesopausa. La temperatura, dopo l’abbassamento
1 L’atmosfera terrestre e i gas atmosferici 5
avvenuto nella mesosfera, torna a crescere con la quota. Questa apparente
contraddizione si spiega attraverso il calore, energia che si libera negli urti
tra le particelle; a causa della bassa densit a dei gas questi urti avvengono
raramente, spiegando in questo modo il poco calore esistente. Nella ter-
mosfera si trova la ionosfera, lo strato dell’atmosfera terrestre in cui i gas
atmosferici sono fortemente ionizzati:  e costituita dagli strati esterni del-
l’atmosfera, esposti alla radiazione solare diretta che strappa gli elettroni
dagli atomi e dalle molecole. Contiene, nel suo insieme, una frazione mini-
ma della massa gassosa atmosferica, circa l’1% solamente ( e estremamente
rarefatta), ma ha uno spessore di alcune centinaia di chilometri e assorbe
buona parte delle radiazioni ionizzanti provenienti dallo spazio. La tempe-
ratura in questo strato sale con l’altitudine, per l’irraggiamento solare, ed
arriva ai 1700
 C al suo limite esterno.
Al conne fra mesopausa e ionosfera hanno luogo le aurore boreali.
La composizione chimica  e ancora simile a quella media, con una predo-
minanza di azoto e ossigeno, ma cambia sempre pi u con l’altitudine. A circa
550 km di quota, questi due gas cessano di essere i componenti principali
dell’atmosfera, e vengono spodestati da elio e idrogeno.
La ionosfera riveste un ruolo di grande importanza nelle telecomuni-
cazioni perch e  e in grado di riettere le onde radio, aiutandole a propagarsi
oltre la portata visibile.
Esosfera:  e la parte pi u esterna dell’atmosfera terrestre, dove la com-
posizione chimica cambia radicalmente. L’esosfera non ha un vero limite
superiore sfumando progressivamente verso lo spazio interplanetario. I suoi
costituenti, come gi a detto, sono prevalentemente idrogeno ed elio, in mag-
gioranza particelle del vento solare catturate dalla magnetosfera terrestre.
Tramite metodi di osservazione indiretti e da calcoli teorici si ricava che la
temperatura dell’esosfera aumenta con l’altezza no a raggiungere, se non
addirittura superare, i 2000
 C (di temperatura cinetica). A causa di questa
temperatura, alcune delle molecole presenti raggiungono la velocit a di fuga
terrestre (11; 2 km=h) e sfuggono dall’atmosfera, perdendosi nello spazio.
Di seguito sono riportati dei graci rappresentativi della straticazione
dell’atmosfera e le principali caratteristiche di ogni zona.