M00.13 – Struttura verticale e composizione dell'atmosfera¶
1. Obiettivi della lezione¶
Al termine di questa lezione sarai in grado di:
- descrivere la composizione chimica dell'atmosfera;
- distinguere aria secca e aria umida;
- comprendere la distribuzione verticale dei gas;
- distinguere omosfera ed eterosfera;
- identificare i principali strati atmosferici;
- conoscere troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera;
- comprendere il significato delle principali pause atmosferiche;
- descrivere l'andamento della temperatura con la quota;
- comprendere come variano pressione e densità;
- conoscere la ionosfera e la sua importanza;
- individuare gli strati nei quali avvengono i principali fenomeni meteorologici.
2. Che cos'è l'atmosfera¶
L'atmosfera è l'involucro gassoso che circonda la Terra ed è trattenuto dalla forza di gravità.
È costituita da una miscela di gas, particelle liquide e solide, vapore acqueo e aerosol.
L'atmosfera svolge funzioni essenziali per la vita e per il funzionamento del sistema climatico:
- fornisce i gas necessari agli organismi viventi;
- contribuisce a mantenere una temperatura compatibile con la vita;
- protegge la superficie terrestre da parte della radiazione ultravioletta;
- rallenta o disintegra molti piccoli meteoroidi;
- permette il trasporto di calore e umidità;
- rende possibili nubi, precipitazioni e circolazione atmosferica;
- partecipa alla distribuzione dell'energia proveniente dal Sole.
L'atmosfera non ha un limite superiore netto. La sua densità diminuisce progressivamente con l'altitudine fino a confondersi con lo spazio interplanetario.
Per descriverla si utilizzano diversi criteri di suddivisione, soprattutto la composizione chimica e l'andamento della temperatura.
3. Composizione dell'atmosfera¶
L'aria è una miscela di gas.
La composizione dell'aria secca, in prossimità della superficie terrestre e al netto del vapore acqueo, è relativamente stabile nella parte inferiore dell'atmosfera.
I componenti principali sono:
| Gas | Simbolo | Percentuale volumetrica approssimativa |
|---|---|---|
| Azoto | N₂ | 78,08% |
| Ossigeno | O₂ | 20,95% |
| Argon | Ar | 0,934% |
| Anidride carbonica | CO₂ | circa 0,04% |
| Altri gas | - | tracce |
I valori sono indicativi. La concentrazione dell'anidride carbonica varia nel tempo e nello spazio.
3.1 Azoto¶
L'azoto è il componente più abbondante dell'aria.
Rappresenta circa il 78% dell'aria secca.
È importante per i cicli biologici e per la formazione delle proteine e degli acidi nucleici negli organismi viventi, attraverso i processi di fissazione dell'azoto.
3.2 Ossigeno¶
L'ossigeno costituisce circa il 21% dell'aria secca.
È indispensabile per la respirazione aerobica della maggior parte degli organismi viventi e partecipa ai processi di combustione e ossidazione.
3.3 Argon¶
L'argon è un gas nobile presente in quantità prossima all'1%.
È chimicamente molto poco reattivo.
3.4 Anidride carbonica¶
L'anidride carbonica è presente in concentrazione molto inferiore rispetto ad azoto e ossigeno.
Pur essendo minoritaria, svolge un ruolo fondamentale nell'effetto serra naturale e nel bilancio energetico terrestre.
È inoltre utilizzata dalle piante durante la fotosintesi.
3.5 Gas in tracce¶
Nell'atmosfera sono presenti anche:
- neon;
- elio;
- metano;
- kripton;
- idrogeno;
- ozono;
- protossido di azoto;
- altri composti.
La concentrazione di alcuni gas in tracce è molto piccola, ma il loro ruolo meteorologico, climatico o chimico può essere importante.
4. Il vapore acqueo¶
Il vapore acqueo è una componente variabile dell'atmosfera.
La sua concentrazione può cambiare notevolmente in funzione di:
- temperatura;
- evaporazione;
- traspirazione vegetale;
- circolazione atmosferica;
- condensazione;
- precipitazioni.
Nella troposfera il contenuto di vapore acqueo è generalmente maggiore vicino alla superficie terrestre e diminuisce rapidamente con la quota.
Il vapore acqueo è importante perché:
- partecipa alla formazione delle nubi;
- permette lo sviluppo delle precipitazioni;
- trasporta energia sotto forma di calore latente;
- contribuisce all'effetto serra;
- influenza la densità dell'aria.
A differenza dei principali gas permanenti, il vapore acqueo non presenta una percentuale costante.
5. Aerosol atmosferici¶
L'atmosfera contiene anche particelle solide e liquide sospese, chiamate aerosol.
Possono essere di origine naturale o antropica.
5.1 Origine naturale¶
Tra le principali sorgenti naturali troviamo:
- polveri sollevate dal vento;
- sale marino;
- cenere vulcanica;
- fumo degli incendi;
- particelle di origine biologica;
- prodotti di reazioni chimiche atmosferiche.
5.2 Origine antropica¶
Le attività umane possono produrre aerosol attraverso:
- combustione di carburanti;
- processi industriali;
- traffico stradale;
- riscaldamento;
- attività agricole.
5.3 Importanza meteorologica¶
Gli aerosol possono influenzare:
- la diffusione e l'assorbimento della radiazione;
- la visibilità;
- la formazione delle goccioline delle nubi;
- i processi di precipitazione.
Alcune particelle agiscono da nuclei di condensazione, favorendo la formazione delle goccioline d'acqua.
Altre possono favorire la formazione di cristalli di ghiaccio.
6. I criteri di suddivisione dell'atmosfera¶
L'atmosfera può essere suddivisa secondo diversi criteri.
I due più importanti sono:
- distribuzione verticale della composizione chimica;
- andamento verticale della temperatura.
In base alla composizione si distinguono principalmente:
- omosfera;
- eterosfera.
In base all'andamento della temperatura si distinguono:
- troposfera;
- stratosfera;
- mesosfera;
- termosfera;
- esosfera.
Le due classificazioni descrivono caratteristiche differenti e non devono essere confuse.
7. Omosfera ed eterosfera¶
7.1 Omosfera¶
L'omosfera è la regione inferiore dell'atmosfera nella quale i gas principali risultano relativamente ben mescolati.
Si estende dalla superficie terrestre fino a quote dell'ordine di 80-100 km, con un limite indicativo che dipende dalla definizione adottata.
La composizione dei principali gas permanenti rimane relativamente uniforme.
Questo mescolamento è favorito dai movimenti turbolenti e dai processi di circolazione atmosferica.
Il vapore acqueo e alcuni componenti minori, tuttavia, possono presentare variazioni significative anche nell'omosfera.
7.2 Eterosfera¶
Al di sopra dell'omosfera si trova l'eterosfera.
In questa regione la composizione dei gas cambia progressivamente con la quota.
La diffusione molecolare diventa sempre più importante rispetto al mescolamento turbolento.
I gas tendono a distribuirsi secondo la propria massa molecolare.
I componenti più leggeri diventano relativamente più abbondanti alle quote maggiori.
7.3 Diffusione molecolare¶
In un gas composto da molecole differenti, la gravità influenza la distribuzione verticale dei singoli componenti.
Le molecole più pesanti tendono a diminuire più rapidamente con l'altitudine rispetto a quelle più leggere, in condizioni di equilibrio diffusivo.
Questo fenomeno contribuisce alla separazione progressiva dei gas nell'eterosfera.
8. La troposfera¶
La troposfera è lo strato più basso dell'atmosfera.
È lo strato nel quale si sviluppa la maggior parte dei fenomeni meteorologici.
Comprende:
- nubi;
- precipitazioni;
- temporali;
- venti;
- nebbia;
- sistemi frontali;
- moti convettivi.
La sua altezza non è costante.
Valori indicativi:
| Regione | Altezza approssimativa della tropopausa |
|---|---|
| Regioni polari | 8-10 km |
| Medie latitudini | 10-12 km |
| Regioni tropicali | 16-18 km |
Questi valori sono orientativi e cambiano in funzione della stagione e della situazione meteorologica.
8.1 Andamento della temperatura¶
Nella troposfera la temperatura generalmente diminuisce con l'altitudine.
Il gradiente termico verticale medio dell'atmosfera standard è:
6,5 °C/km
Questo valore è un riferimento medio, non una legge valida in ogni situazione meteorologica.
In alcune condizioni la temperatura può diminuire più rapidamente, più lentamente o persino aumentare con la quota.
8.2 Perché la temperatura diminuisce¶
La superficie terrestre assorbe energia solare e trasferisce energia all'atmosfera attraverso:
- conduzione;
- convezione;
- radiazione;
- evaporazione ed emissione di calore latente.
La troposfera viene quindi riscaldata in misura importante dal basso.
Quando una massa d'aria sale, la pressione esterna diminuisce.
L'aria si espande e, in assenza di scambi termici sufficienti, si raffredda.
Questo processo è fondamentale per comprendere la formazione delle nubi.
8.3 Gradiente termico verticale¶
Il gradiente termico verticale descrive la variazione della temperatura con la quota.
Si può esprimere come:
Γ = -ΔT / Δz
Dove:
- Γ = gradiente termico verticale;
- ΔT = variazione della temperatura;
- Δz = variazione della quota.
Se la temperatura diminuisce salendo, Γ è positivo secondo questa convenzione.
8.4 Esempio numerico¶
Una massa d'aria presenta una temperatura di 20 °C al livello iniziale.
Assumendo un gradiente di 6,5 °C/km, quale temperatura teorica si avrebbe 2 km più in alto?
Variazione:
ΔT = 6,5 × 2
ΔT = 13 °C
Temperatura finale:
T = 20 - 13
T = 7 °C
Il risultato è un esempio teorico basato sul gradiente medio standard.
8.5 La troposfera e il tempo atmosferico¶
La troposfera è lo strato più importante per la meteorologia operativa.
In essa si concentrano gran parte del vapore acqueo e dei fenomeni che determinano il tempo osservato sulla superficie terrestre.
9. La tropopausa¶
La tropopausa è la regione di transizione tra troposfera e stratosfera.
È individuata principalmente attraverso il comportamento del gradiente termico verticale.
Nella troposfera la temperatura generalmente diminuisce con la quota.
Avvicinandosi alla tropopausa, la diminuzione rallenta.
Nella stratosfera la temperatura può iniziare ad aumentare.
9.1 Altezza variabile¶
L'altezza della tropopausa varia in funzione di:
- latitudine;
- stagione;
- circolazione atmosferica;
- sistemi meteorologici;
- distribuzione delle masse d'aria.
È generalmente più alta nelle regioni tropicali e più bassa nelle regioni polari.
9.2 Importanza meteorologica¶
La tropopausa rappresenta una zona importante per gli scambi tra troposfera e stratosfera.
È inoltre associata a forti variazioni della circolazione atmosferica e alla presenza della corrente a getto in prossimità della sua regione superiore.
10. La stratosfera¶
La stratosfera si estende indicativamente dalla tropopausa fino a circa 50 km di quota.
È caratterizzata da un andamento della temperatura generalmente crescente con l'altitudine.
10.1 L'ozono stratosferico¶
Nella stratosfera si trova gran parte dell'ozono atmosferico.
L'ozono assorbe una parte importante della radiazione ultravioletta proveniente dal Sole.
L'assorbimento di energia contribuisce al riscaldamento della stratosfera.
10.2 Importanza dello strato di ozono¶
Lo strato di ozono protegge la biosfera da una parte significativa della radiazione ultravioletta più dannosa.
La concentrazione di ozono non è uniforme e varia con:
- quota;
- latitudine;
- stagione;
- circolazione atmosferica;
- processi chimici.
10.3 Stabilità atmosferica¶
La stratosfera è generalmente caratterizzata da una forte stabilità verticale rispetto alla troposfera.
L'aumento della temperatura con la quota tende a ostacolare i moti convettivi verticali.
Questo non significa che nella stratosfera non esistano movimenti atmosferici, ma che la convezione profonda è molto meno frequente rispetto alla troposfera.
10.4 Importanza meteorologica¶
La stratosfera influenza la circolazione atmosferica su larga scala.
Tra i fenomeni importanti si ricordano:
- riscaldamenti stratosferici improvvisi;
- variazioni del vortice polare;
- trasporto e trasformazioni dell'ozono;
- scambi tra troposfera e stratosfera.
11. La stratopausa¶
La stratopausa è la regione di transizione tra stratosfera e mesosfera.
Si trova indicativamente intorno a 50 km di quota.
In prossimità della stratopausa la temperatura raggiunge valori relativamente elevati rispetto agli strati circostanti.
Al di sopra di questa regione inizia la diminuzione della temperatura tipica della mesosfera.
12. La mesosfera¶
La mesosfera si estende indicativamente da 50 km fino a circa 80-85 km.
È caratterizzata da una diminuzione della temperatura con la quota.
La temperatura può raggiungere valori molto bassi in prossimità della mesopausa.
12.1 Meteoroidi¶
Nella mesosfera molti piccoli meteoroidi incontrano l'atmosfera e diventano visibili come meteore.
L'attrito e soprattutto le interazioni con il gas atmosferico provocano un intenso riscaldamento e l'ablazione del materiale.
Non tutti i meteoroidi vengono completamente distrutti: alcuni frammenti possono raggiungere il suolo sotto forma di meteoriti.
12.2 Nubi nottilucenti¶
Nella parte superiore della mesosfera possono formarsi nubi nottilucenti.
Sono nubi molto alte, costituite da piccoli cristalli di ghiaccio.
Possono essere osservate dopo il tramonto o prima dell'alba, quando il cielo al suolo è già buio ma queste nubi sono ancora illuminate dal Sole.
12.3 Importanza meteorologica¶
La mesosfera non è sede dei normali sistemi meteorologici che interessano la superficie terrestre.
È tuttavia importante per lo studio della struttura atmosferica, delle onde atmosferiche e dei processi di scambio energetico.
13. La mesopausa¶
La mesopausa è la regione di transizione tra mesosfera e termosfera.
Si trova indicativamente tra 80 e 90 km di quota.
È una delle regioni più fredde dell'atmosfera.
La temperatura può scendere a valori molto bassi, con variazioni legate alla stagione e alla latitudine.
14. La termosfera¶
La termosfera si estende indicativamente dalla mesopausa fino a quote di diverse centinaia di chilometri.
In questa regione la temperatura cinetica dei gas aumenta notevolmente con la quota.
14.1 Perché aumenta la temperatura¶
La termosfera assorbe radiazione solare ad alta energia, in particolare:
- radiazione ultravioletta estrema;
- raggi X;
- altre componenti energetiche della radiazione solare.
Questa energia produce eccitazione, dissociazione e ionizzazione delle molecole e degli atomi.
La temperatura cinetica può raggiungere valori molto elevati.
14.2 Temperatura e sensazione termica¶
La temperatura della termosfera può superare 1000 °C e variare considerevolmente con l'attività solare.
Tuttavia, la densità del gas è estremamente bassa.
La temperatura elevata non significa che un oggetto si riscalderebbe come in un forno: il numero di particelle presenti è molto ridotto e il trasferimento di calore per collisione è limitato.
14.3 Aurora polari¶
Nella termosfera e nelle regioni ionizzate associate si verificano le aurore polari.
Le particelle energetiche provenienti dallo spazio e guidate dal campo magnetico terrestre interagiscono con i gas atmosferici.
Le collisioni eccitano gli atomi e le molecole, che successivamente emettono luce.
Le aurore sono osservabili soprattutto alle alte latitudini, ma durante eventi geomagnetici intensi possono essere visibili anche più lontano dalle regioni polari.
15. La ionosfera¶
La ionosfera è una regione dell'atmosfera nella quale una parte significativa delle particelle è ionizzata.
Non coincide perfettamente con un singolo strato termico.
Si estende approssimativamente dalla parte superiore della mesosfera attraverso gran parte della termosfera.
La ionizzazione è prodotta soprattutto dalla radiazione solare ad alta energia.
15.1 Che cosa significa ionizzazione¶
La ionizzazione è il processo attraverso il quale un atomo o una molecola perde o acquista elettroni, diventando uno ione.
Nell'atmosfera superiore la radiazione solare può strappare elettroni alle particelle gassose.
Si formano così:
- elettroni liberi;
- ioni positivi;
- molecole e atomi ionizzati.
15.2 Regioni ionosferiche¶
Tradizionalmente si distinguono diverse regioni:
| Regione | Quota indicativa | Caratteristiche |
|---|---|---|
| D | circa 60-90 km | Presente soprattutto durante il giorno; contribuisce all'assorbimento delle onde radio |
| E | circa 90-150 km | Può rifrangere alcune frequenze radio |
| F1 | circa 150-220 km | Più evidente durante il giorno |
| F2 | circa 220-400 km | Importante per la propagazione a lunga distanza delle onde corte |
Le quote sono indicative e le regioni non hanno confini fissi.
La struttura ionosferica cambia con:
- ora del giorno;
- stagione;
- latitudine;
- attività solare;
- attività geomagnetica.
15.3 Importanza per le radiocomunicazioni¶
La ionosfera influenza la propagazione delle onde radio.
Alcune frequenze possono essere rifratte e tornare verso la superficie terrestre, permettendo collegamenti a grande distanza.
Il comportamento dipende dalla frequenza, dalla densità elettronica, dall'angolo di incidenza e dalle condizioni ionosferiche.
Le bande HF, comunemente chiamate onde corte, sono particolarmente interessate da questi fenomeni.
La propagazione ionosferica sarà approfondita nelle lezioni dedicate alle telecomunicazioni e alla propagazione radio.
16. L'esosfera¶
L'esosfera è la regione più esterna dell'atmosfera terrestre.
Si sviluppa al di sopra della termosfera e si estende gradualmente verso lo spazio interplanetario.
Il limite inferiore viene generalmente collocato a quote di diverse centinaia di chilometri, ma non esiste un confine superiore netto.
16.1 Caratteristiche¶
Nell'esosfera:
- la densità del gas è estremamente bassa;
- le collisioni tra particelle diventano rare;
- sono presenti soprattutto componenti molto leggeri;
- alcune particelle possono sfuggire alla gravità terrestre.
La regione costituisce una transizione progressiva tra atmosfera e spazio.
16.2 Satelliti artificiali¶
Molti satelliti orbitano nella parte superiore dell'atmosfera o al di sopra di essa.
Anche alle quote considerate spaziali può essere presente una piccola quantità di gas atmosferico.
Questo gas produce una resistenza aerodinamica molto debole, ma sufficiente a influenzare nel tempo l'orbita dei satelliti in orbita bassa.
17. Schema riassuntivo degli strati atmosferici¶
Le quote riportate sono indicative e non rappresentano limiti rigidi.
| Strato | Quota approssimativa | Andamento della temperatura |
|---|---|---|
| Troposfera | 0-8/18 km | Generalmente diminuisce |
| Stratosfera | circa 12-50 km | Generalmente aumenta |
| Mesosfera | 50-80/85 km | Diminuisce |
| Termosfera | circa 85-500/600 km e oltre | Aumenta |
| Esosfera | Dalle quote superiori della termosfera verso lo spazio | Non esiste un limite termico semplice |
17.1 Le pause atmosferiche¶
Le principali regioni di transizione sono:
| Nome | Separazione |
|---|---|
| Tropopausa | Troposfera e stratosfera |
| Stratopausa | Stratosfera e mesosfera |
| Mesopausa | Mesosfera e termosfera |
Le pause sono individuate soprattutto attraverso l'andamento verticale della temperatura.
18. Pressione atmosferica e quota¶
La pressione atmosferica diminuisce con l'aumentare della quota.
Il motivo è che salendo diminuisce la quantità di aria sovrastante che esercita il proprio peso.
La pressione non diminuisce in modo lineare.
La diminuzione è più rapida nei bassi strati e progressivamente più lenta alle quote maggiori.
18.1 Valori indicativi¶
In atmosfera standard:
| Quota | Pressione approssimativa |
|---|---|
| 0 km | 1013 hPa |
| 1 km | 899 hPa |
| 2 km | 795 hPa |
| 3 km | 701 hPa |
| 5 km | 540 hPa |
| 8 km | 356 hPa |
| 10 km | 265 hPa |
| 15 km | 121 hPa |
| 20 km | 55 hPa |
I valori sono indicativi e dipendono dalle condizioni atmosferiche reali.
18.2 Equazione idrostatica¶
In condizioni di equilibrio idrostatico, la variazione della pressione con la quota può essere descritta da:
dp/dz = -ρg
Dove:
- dp/dz = variazione della pressione con la quota;
- ρ = densità dell'aria;
- g = accelerazione di gravità;
- z = quota.
Il segno negativo indica che la pressione diminuisce quando la quota aumenta.
18.3 Significato fisico¶
La pressione atmosferica a una determinata quota dipende dal peso della colonna d'aria che si trova sopra quel livello.
Per questo motivo la pressione diminuisce salendo.
19. Densità dell'aria e quota¶
La densità è la massa di aria contenuta nell'unità di volume.
La formula generale è:
ρ = m / V
Dove:
- ρ = densità;
- m = massa;
- V = volume.
In condizioni atmosferiche ordinarie la densità tende a diminuire con la quota.
Questo avviene principalmente perché diminuisce la pressione.
La densità dipende comunque anche dalla temperatura e dall'umidità.
19.1 Equazione dei gas ideali¶
Per l'aria secca si può utilizzare:
p = ρRdT
Dove:
- p = pressione in pascal;
- ρ = densità in kg/m³;
- Rd = costante specifica dell'aria secca, circa 287 J/(kg K);
- T = temperatura assoluta in kelvin.
Ricavando la densità:
ρ = p / (RdT)
La temperatura deve essere espressa in kelvin.
19.2 Esempio numerico¶
Consideriamo:
- pressione = 100000 Pa;
- temperatura = 288 K;
- Rd = 287 J/(kg K).
Calcolo:
ρ = 100000 / (287 × 288)
ρ ≈ 1,21 kg/m³
La densità dell'aria è circa 1,21 kg/m³.
19.3 Aria calda e aria fredda¶
A parità di pressione, l'aria calda è generalmente meno densa dell'aria fredda.
Questa differenza contribuisce allo sviluppo dei moti convettivi.
L'aria meno densa tende a salire rispetto all'aria circostante più densa, se le condizioni di stabilità lo consentono.
20. Atmosfera standard¶
Per confrontare misure, strumenti e prestazioni aeronautiche si utilizza un modello convenzionale chiamato atmosfera standard.
Il modello di riferimento più noto è l'ISA, International Standard Atmosphere.
L'atmosfera standard stabilisce valori convenzionali di:
- temperatura;
- pressione;
- densità;
- accelerazione di gravità;
- composizione atmosferica.
Al livello medio del mare vengono comunemente assunti:
| Grandezza | Valore standard |
|---|---|
| Temperatura | 15 °C |
| Pressione | 1013,25 hPa |
| Densità | circa 1,225 kg/m³ |
| Accelerazione di gravità convenzionale | circa 9,80665 m/s² |
L'atmosfera standard non rappresenta necessariamente le condizioni meteorologiche reali.
È un riferimento matematico e tecnico.
Viene utilizzata in particolare in aeronautica, nella taratura degli strumenti e nei calcoli delle prestazioni.
21. Importanza meteorologica dei diversi strati¶
Troposfera¶
È lo strato fondamentale per il tempo atmosferico.
Qui si sviluppano la maggior parte delle nubi, dei venti, delle precipitazioni e dei fenomeni meteorologici.
Stratosfera¶
Influenza la circolazione atmosferica e contiene la maggior parte dell'ozono atmosferico.
Le sue variazioni possono influenzare anche la circolazione della troposfera.
Mesosfera¶
È importante per lo studio dei meteoroidi, delle nubi nottilucenti e della dinamica dell'alta atmosfera.
Termosfera¶
Assorbe radiazione solare energetica ed è sede di importanti processi di ionizzazione e delle aurore.
Esosfera¶
Costituisce la transizione più esterna tra atmosfera terrestre e spazio.
22. Errori comuni da evitare¶
- Pensare che l'atmosfera termini a una quota precisa.
- Confondere omosfera ed eterosfera con gli strati termici.
- Pensare che la troposfera abbia sempre la stessa altezza.
- Considerare il gradiente termico medio una regola valida in ogni situazione.
- Confondere tropopausa e stratopausa.
- Pensare che la temperatura diminuisca continuamente salendo.
- Confondere la temperatura cinetica della termosfera con la sensazione termica.
- Pensare che la ionosfera sia un singolo strato con confini fissi.
- Ritenere che tutta la propagazione radio avvenga esclusivamente nella ionosfera.
- Confondere pressione e densità.
- Pensare che la pressione diminuisca linearmente con la quota.
- Considerare l'atmosfera standard una descrizione delle condizioni meteorologiche reali.
- Pensare che l'ozono sia distribuito uniformemente in tutta l'atmosfera.
- Confondere meteore e meteoriti.
23. Esercizi di verifica¶
Esercizio 1 – Composizione dell'aria¶
Quali sono i due gas maggiormente presenti nell'aria secca e quali sono le loro percentuali approssimative?
Esercizio 2 – Omosfera ed eterosfera¶
Spiega la differenza tra omosfera ed eterosfera.
Esercizio 3 – Strati atmosferici¶
Elenca gli strati principali dell'atmosfera in ordine crescente di quota.
Esercizio 4 – Gradiente termico¶
Una massa d'aria presenta una temperatura di 24 °C al livello iniziale.
Assumendo un gradiente medio di 6,5 °C/km, calcola la temperatura teorica a 3 km di quota.
Esercizio 5 – Pressione atmosferica¶
Perché la pressione atmosferica diminuisce con la quota?
Esercizio 6 – Densità¶
Calcola la densità dell'aria utilizzando:
- pressione = 90000 Pa;
- temperatura = 280 K;
- Rd = 287 J/(kg K).
Utilizza la relazione:
ρ = p / (RdT)
Esercizio 7 – Stratosfera¶
Perché la temperatura generalmente aumenta con la quota nella stratosfera?
Esercizio 8 – Ionosfera¶
Qual è il ruolo della ionosfera nella propagazione delle onde radio?
Esercizio 9 – Troposfera¶
Perché la troposfera è lo strato più importante per la meteorologia quotidiana?
Esercizio 10 – Atmosfera standard¶
Indica i tre principali valori convenzionali dell'atmosfera standard al livello medio del mare: temperatura, pressione e densità.
24. Soluzioni degli esercizi¶
Soluzione 1 – Composizione dell'aria¶
I due gas principali sono:
- azoto: circa 78,08%;
- ossigeno: circa 20,95%.
Soluzione 2 – Omosfera ed eterosfera¶
Nell'omosfera i principali gas sono relativamente ben mescolati.
Nell'eterosfera la composizione cambia progressivamente con la quota, con una maggiore separazione dei gas secondo la loro massa molecolare.
Soluzione 3 – Strati atmosferici¶
In ordine crescente di quota:
- troposfera;
- stratosfera;
- mesosfera;
- termosfera;
- esosfera.
Soluzione 4 – Gradiente termico¶
Variazione di temperatura:
ΔT = 6,5 × 3
ΔT = 19,5 °C
Temperatura finale:
T = 24 - 19,5
T = 4,5 °C
Soluzione 5 – Pressione atmosferica¶
La pressione diminuisce perché salendo diminuisce il peso della colonna d'aria sovrastante.
Soluzione 6 – Densità¶
ρ = p / (RdT)
ρ = 90000 / (287 × 280)
ρ = 90000 / 80360
ρ ≈ 1,12 kg/m³
Soluzione 7 – Stratosfera¶
La temperatura aumenta generalmente con la quota perché l'ozono assorbe una parte della radiazione ultravioletta solare e trasferisce energia all'atmosfera.
Soluzione 8 – Ionosfera¶
La presenza di elettroni e ioni liberi modifica la propagazione delle onde radio.
In determinate condizioni alcune frequenze possono essere rifratte verso la superficie terrestre, consentendo collegamenti a lunga distanza.
Soluzione 9 – Troposfera¶
La troposfera contiene la maggior parte del vapore acqueo e ospita la maggior parte dei fenomeni meteorologici che influenzano direttamente la superficie terrestre.
Soluzione 10 – Atmosfera standard¶
Valori convenzionali al livello medio del mare:
- temperatura: 15 °C;
- pressione: 1013,25 hPa;
- densità: circa 1,225 kg/m³.
25. Glossario¶
| Termine | Significato |
|---|---|
| Atmosfera | Involucro gassoso che circonda la Terra |
| Aria secca | Miscela atmosferica considerata priva di vapore acqueo |
| Azoto | Gas principale dell'atmosfera |
| Ossigeno | Gas essenziale per la respirazione aerobica |
| Argon | Gas nobile presente nell'aria |
| Anidride carbonica | Gas serra coinvolto nel ciclo del carbonio |
| Aerosol | Particelle solide o liquide sospese nell'aria |
| Omosfera | Regione atmosferica in cui i principali gas sono relativamente ben mescolati |
| Eterosfera | Regione in cui la composizione varia con la quota per diffusione molecolare |
| Troposfera | Strato inferiore nel quale si sviluppa la maggior parte dei fenomeni meteorologici |
| Tropopausa | Regione di transizione tra troposfera e stratosfera |
| Stratosfera | Strato contenente la maggior parte dell'ozono atmosferico |
| Stratopausa | Regione di transizione tra stratosfera e mesosfera |
| Mesosfera | Strato nel quale la temperatura diminuisce con la quota |
| Mesopausa | Regione di transizione tra mesosfera e termosfera |
| Termosfera | Strato superiore caratterizzato da temperature cinetiche elevate |
| Ionosfera | Regione contenente particelle ionizzate |
| Esosfera | Regione più esterna dell'atmosfera |
| Gradiente termico verticale | Variazione della temperatura con la quota |
| Pressione atmosferica | Pressione esercitata dal peso dell'aria |
| Densità | Massa contenuta nell'unità di volume |
| Atmosfera standard | Modello convenzionale dell'atmosfera usato come riferimento |
| Ozonosfera | Regione stratosferica nella quale è concentrata una parte importante dell'ozono |
| Ionizzazione | Processo di formazione di ioni mediante perdita o acquisizione di elettroni |
| Meteora | Fenomeno luminoso prodotto dall'ingresso di un meteoroide nell'atmosfera |
| Meteorite | Frammento di origine extraterrestre che raggiunge la superficie terrestre |
26. Riepilogo della lezione¶
I concetti fondamentali da ricordare sono:
- L'atmosfera è l'involucro gassoso trattenuto dalla gravità terrestre.
- L'aria secca è costituita principalmente da azoto e ossigeno.
- Il vapore acqueo è una componente variabile e fondamentale per la meteorologia.
- Gli aerosol influenzano radiazione, visibilità e formazione delle nubi.
- L'omosfera è caratterizzata dal mescolamento relativamente uniforme dei principali gas.
- Nell'eterosfera aumenta la separazione dei componenti in funzione della massa molecolare.
- La troposfera ospita la maggior parte dei fenomeni meteorologici.
- La stratosfera contiene la maggior parte dell'ozono atmosferico.
- La mesosfera è una regione molto fredda nella quale si verificano molti fenomeni di ablazione dei meteoroidi.
- La termosfera assorbe radiazione solare energetica.
- La ionosfera influenza la propagazione delle onde radio.
- L'esosfera rappresenta la transizione verso lo spazio interplanetario.
- La pressione e la densità diminuiscono generalmente con la quota.
- La temperatura non diminuisce continuamente: il suo andamento cambia nei diversi strati.
- L'atmosfera standard è un modello convenzionale e non una previsione delle condizioni reali.
Concetto chiave: l'atmosfera non è uno strato uniforme. È una struttura dinamica organizzata verticalmente, nella quale cambiano composizione, densità, pressione, temperatura e proprietà fisiche.
27. Collegamento con la lezione successiva¶
La prossima lezione sarà dedicata alla pressione atmosferica e alla sua misurazione.
Studieremo:
- definizione fisica della pressione;
- unità di misura;
- pascal, hectopascal, millibar e millimetri di mercurio;
- pressione al livello del mare;
- gradiente barico;
- isobare;
- barometri a mercurio e aneroidi;
- barometri digitali;
- riduzione della pressione al livello del mare;
- alta e bassa pressione;
- variazioni bariche e interpretazione meteorologica.
Questi concetti permetteranno di comprendere meglio carte meteorologiche, cicloni, anticicloni e circolazione atmosferica.