Atmosfera terrestre

L'atmosfera terrestre è un miscuglio omogeneo di sostanze (definito impropriamente soluzione) che contiene una grande varietà di elementi allo stato gassoso che vengono in minima parte utilizzati e rielaborati da tutti gli organismi viventi.

Composizione

L'atmosfera terrestre è composta dai seguenti elementi gassosi:

• Azoto (N₂): 78,084%
• Ossigeno (O₂): 20,946%
• Argon (Ar): 0,934%
• Anidride carbonica (CO₂): 0,0407% (407 ppm)
• Neon (Ne): 0,0018% (18 ppm)
• Elio (He): 0,000524% (5 ppm)
• Metano (CH₄): 0,00016% (2 ppm)
• Kripton (Kr): 0,000114% (1,1 ppm)
• Idrogeno (H₂): 0,00005% (0,5 ppm)
• Xeno (Xe): 0,0000087% (0,08 ppm).

L'ossigeno è l'elemento più importante per quanto riguarda gli organismi viventi eterotrofi, come gli uomini e gli animali. Esso ricopre un ruolo fondamentale nella respirazione cellulare del nostro organismo. L'anidride carbonica al contrario, pur essendo presente in minima parte, è fondamentale per le piante: senza di essa infatti non sarebbe possibile la fotosintesi clorofilliana e con essa non potrebbe riformarsi l'ossigeno.

L'azoto atmosferico, che ricopre più di 2/3 del volume atmosferico è fondamentale per gli esseri viventi ma non viene direttamente utilizzato da essi: solo alcune piante come le leguminose o gli azotofissatori (organismi batterici presenti sulle radici delle piante con cui vivono in simbiosi) possono impiegarlo nei processi biologici. L'uomo, invece, mangiando i vegetali riesce a ottenerli e a inglobarli nel suo organismo.

Gli strati dell'atmosfera

La nostra atmosfera non presenta una composizione omogenea ma, con l'aumentare dell'altezza, essa cambia e gli elementi gassosi diventano sempre più rarefatti. Per questo è importante suddividerla in più sfere che si espandono fino a un certo valore denominato pausa e che rappresenta il confine ultimo tra due sfere.

La troposfera

La troposfera è lo strato più basso dell'atmosfera terrestre e quello con la più alta concentrazione di elementi. Essa si protrae in altezza in maniera differente: in prossimità dei poli raggiunge gli 8 chilometri mentre in prossimità dell'equatore essa raggiunge i 17 chilometri di altezza.

La temperatura diminuisce gradualmente procedendo verso l'alto secondo un gradiente termico verticale pari a 0.6 °C ogni 100 metri; la tropopausa è il limite della troposfera e varia, come abbiamo visto, tra i 17 chilometri sopra la superficie terrestre, dove si raggiungono i -70 °C, e i 40 chilometri, dove la temperatura è di -40 °C circa.

La troposfera è inoltre percossa da correnti che rimescolano continuamente le masse gassose provocando la formazione di perturbazioni.

La stratosfera

La stratosfera è il secondo strato dell'atmosfera terrestre che si estende fino a 50-60 chilometri in altezza. Subito dopo la tropopausa la temperatura rimane all'incirca costante e il 99 % dell'intera massa gassosa della nostra atmosfera è concentrata al di sotto dei 40 chilometri di altezza.

Nella stratosfera è stata riscontrata la presenza di uno strato nello strato: l'ozonosfera è infatti presente al di sopra dei 40 chilometri di altezza ed è formata da molecole di ozono caratterizzato dalla presenza di tre atomi di ossigeno (O₃).

In prossimità dell'ozonosfera si riscontra un incremento della temperatura che tocca massimi di 10-15 °C. La formazione di queste molecole avviene quando i raggi ultravioletti della radiazione solare scindono le molecole di ossigeno che spontaneamente si ricombina per formare le molecole di ozono che a loro volta assorbono la stessa radiazione che rappresenta il 2-3 % dell'intera radiazione solare.

L'ozonosfera è fondamentale per gli esseri viventi in quanto assorbe i pericolosi raggi ultravioletti, mortali per tutte le specie viventi.

Nella stratosfera sono inoltre presenti delle nubi madreperlacee formate da cristalli di ghiaccio e polveri. La stratosfera termina con la stratopausa a circa 50 chilometri dal suolo.

La mesosfera

La mesosfera è il terzo strato dell'atmosfera terrestre che si estende fino a un massimo di 80 chilometri sopra la superficie terrestre.

La temperatura in questa sfera inizia nuovamente a diminuire con temperature minime simili a quelle della troposfera (tra -40 e -70 °C). Una caratteristica fondamentale della mesosfera è l'estrema rarefazione degli elementi e la variazione della composizione gassosa dell'atmosfera che si arricchisce di elementi leggeri come l'idrogeno e l'elio a discapito di quelli più pesanti.

In alcune regioni della mesosfera è possibile trovare delle nubi nottilucenti formate da cristalli di ghiaccio che risplendono in estate verso il crepuscolo. Lo studio di queste nubi ha permesso di verificare la presenza di ingenti correnti aeree che in alcuni casi raggiungono anche velocità pari a 300 km/h.

Il confine della mesosfera è chiamato mesopausa.

La termosfera

La termosfera è il quarto strato dell'atmosfera terrestre e si estende fino a 200 chilometri sopra la superficie terrestre.

Come per la mesosfera, la termosfera presenta una rilevante rarefazione degli elementi gassosi. Le temperature di questa sfera iniziano a salire vertiginosamente fino a raggiungere i 1500 °C. Tuttavia queste temperature non sono reali in quanto si riferiscono alla velocità effettiva raggiunta dalle singole particelle che, per l'elevata rarefazione raggiunta nella termosfera, non si scontrano quasi mai.

Anche nella termosfera, come per la stratosfera, è presente uno strato nello strato. La ionosfera è una piccola porzione della termosfera dove sono concentrati particelle ioniche dotate di carica. Queste particelle si formano in seguito alla scissione degli elementi gassosi da parte dei raggi cosmici provenienti dalle altre stelle o per via dei raggi X provenienti dal sole. In particolare alcuni strati (D, E, F1 e F2) sono in grado di ritrasmettere le onde lunghe, medie, corte e cortissime della radiazione elettromagnetica, che vanno sotto il nome di onde radio. In sostanza, tutte le stazioni radio non fanno altro che inviare le onde verso la ionosfera che poi ritrasmette queste onde verso la superficie terrestre in vari punti del globo. Per le comunicazioni satellitari o televisive sono invece necessari dei ritrasmettitori per inviare le comunicazioni dove desiderato.

La termosfera è anche nota per il fenomeno delle aurore boreali, ovvero particelle elettrizzate che si infrangono sull'atmosfera. Il fenomeno è visibile in genere ai poli, dove l'atmosfera ha uno spessore inferiore che altrove.

Il confine della termosfera è la termopausa.

L'esosfera

L'esosfera è lo strato più esterno dell'atmosfera terrestre e quello che si trova a contatto diretto con lo spazio interstellare. I pochi elementi gassosi sono molecole leggere come idrogeno e elio presenti in percentuali estremamente basse.

La poche particelle presenti in questo strato possiedono una energia cinetica molto elevata anche se gli scontri tra le particelle sono estremamente rari data la bassa concentrazione atmosferica. Se le particelle raggiungono la velocità di fuga pari a 11,2 km/s (40.320 km/h), le particelle sono in grado di sfuggire all'attrazione gravitazionale terrestre e disperdersi nello spazio.

Il limite ultimo dell'esosfera e quindi anche dell'atmosfera si ha intorno ai 2000-2500 chilometri al di sopra del suolo, in corrispondenza della frangia atmosferica, quando la concentrazione atmosferica equivale a quella della corona solare.