In funzione del profilo termico della temperatura, di determinati fenomeni fisici che si verificano o di specifiche reazioni chimiche che avvengono in determinate quote, l’atmosfera viene suddivisa in vari strati.
La classificazione degli strati dell’atmosfera in relazione al gradiente termico ha una sua ragion d’essere in virtù del fatto che l’andamento della temperatura in funzione della quota ha un peso determinante sui moti verticali ascendenti (come quelli responsabili delle nubi cumuliformi e temporalesche o dei moti che permettono la risalita dal suolo degli aerosol).
La suddivisione secondo il profilo verticale termico individua quattro strati fondamentali dell’atmosfera (fig. 1) che dal basso verso l’alto sono: troposfera, stratosfera, mesosfera e termosfera.
Troposfera. E’ la zona di atmosfera in cui si verificano tutti i fenomeni meteorologici e contiene l’80% della massa gassosa totale ed il 99% del vapore acqueo e questo è uno dei motivi per cui nubi e precipitazioni interessano solo tale strato. Si estende dal suolo fino ad un’altezza pari ad una decina di chilometri. In questo strato il gradiente termico verticale è di 6.5°C per chilometro.
La caratteristica principale della troposfera è l’elevata capacità di rimescolamento tra i suoi vari strati: tra quelli prossimi al suolo e quelli più alti: la parola troposfera infatti significa sfera della turbolenza. In condizioni di cielo sereno, la maggior parte delle molecole d’aria presenti in questo strato dell’atmosfera, riescono ad attraversare tutta la troposfera in pochi giorni, se le condizioni atmosferiche sono particolari (ad esempio condizioni caratterizzate dalla presenza di temporali) le particelle riescono ad attraversare la troposfera dal suolo al limite superiore in pochi minuti. La penetrazione dei moti convettivi verticali non si manifesta con la stessa intensità in tutte le zone della Terra: è più intensa nelle zone più riscaldate, di conseguenza l’altezza della troposfera varia da un minimo di 7-8 Km ai Poli, raggiunge i 10-12 Km alle medie latitudini per toccare altezze massime di 16-18 Km all’Equatore.
Il forte rimescolamento verticale nella troposfera è dovuto all’influenza del suolo, influenza che si manifesta essenzialmente in uno strato di atmosfera che si estende dal suolo fino ad un’altezza compresa tra 1 Km ed 1.5 Km e che prende il nome di Planetary Boundary Layer (PBL) o strato limite planetario (approfondiremo in seguito il concetto di strato limite planetario).
L’altezza del PBL varia durante l’arco di un’intera giornata: di giorno la Terra, riscaldata dal Sole, cede il calore all’atmosfera: il trasferimento del calore è diretto dal suolo verso l’alto all’atmosfera e l’altezza del PBL raggiunge 1-2 Km di altezza. Durante la notte il trasferimento di calore ha verso opposto, perché la Terra si raffredda più velocemente dell’atmosfera la quale cederà calore al suolo per irraggiamento raffreddandosi annullando il rimescolamento turbolento: il PBL avrà un’ampiezza di circa 100m. Il ciclo periodico del PBL subisce variazioni, alle medie latitudini, nel caso di fasi perturbate ad ampia scala (i cosiddetti fronti).
Lo strato ideale che separa la troposfera dallo strato atmosferico successivo si chiama tropopausa. Lo spessore della tropopausa varia con la latitudine e con le stagioni. Questo strato presenta due discontinuità: una intorno a 30° e l’altra intorno a 60° di latitudine. Queste due fratture sono posizionate in corrispondenza del passaggio dalla tropopausa tropicale alla tropopausa subtropicale e nel passaggio dalla tropopausa subtropicale a quella polare. Tali fratture sono collegate ad analoghe discontinuità nel gradiente termico orizzontale in senso meridiano. Alla quota della tropopausa la temperatura varia da -75°C all’Equatore, a meno 55°C alle medie latitudine ed assume il valore di -50°C ai Poli. Il forte gradiente termico orizzontale presente in corrispondenza delle due fratture è anche responsabile di forti correnti aeree dette jet stream (correnti a getto). La velocità di queste masse d’aria può raggiungere i 200-300 Km/h e si spostano stagionalmente in latitudine e in altezza. Le correnti che si generano in corrispondenza della frattura subtropicale sono dette correnti a getto subtropicali; quelle che si generano in corrispondenza della frattura polare, correnti a getto polari.
Stratosfera. La stratosfera è lo strato successivo alla tropopausa. I primi 10Km (verso l’alto) sono caratterizzati da temperatura costante; nei successivi 25-30Km (zona indicata con il nome di ozonosfera) la temperatura aumenta con la quota. La stratosfera presenta anche una composizione chimica differente rispetto a quella della troposfera: la concentrazione del vapore diminuisce di un ordine di grandezza e della stessa quantità aumenta la concentrazione dell’ozono presente. Il vapore è presente in piccole quantità ma non è completamente assente e questo giustifica la presenza, talvolta, di nubi iridescenti o madreperlacee. I gradienti verticali nelle concentrazioni di vapore ed ozono indicano l’assenza di moti verticali che tendono a caratterizzare la stratosfera come una zona a scarsa capacità dispersiva: a tale quota le polveri provenienti dalle esplosioni verticali o dalle emissioni vulcaniche hanno concentrazioni maggiori (rispetto a quelle della troposfera) e tempi di residenza di qualche anno. Diretta conseguenza è la presenza di un gradiente termico positivo con conseguente stratificazione verticale dell’atmosfera: i costituenti tendono a distribuirsi in base al loro peso.
L’aumento delle temperatura nell’alta stratosfera è dovuto alla formazione di ozono (O3). Il processo che porta alla formazione dell’ozono parte dalla dissociazione della molecola biatomica dell’ossigeno (O2) per azione dei raggi ultravioletti. Si ottiene così l’ossigeno monoatomico (O). L’ossigeno monoatomico combinandosi con una molecola biatomica da’ vita alla molecola triatomica (l’ozono) capace di assorbire quasi completamente i raggi ultravioletti solari di onda inferiore ai 300nm letali per ogni forma di vita. Questo processo è accompagnato da sviluppo di calore si spiega in questo modo la più veloce crescita di temperatura a questa altezza.
La temperatura della bassa stratosfera ha un valore di -70°C sulla verticale dell’Equatore; ai Poli la temperatura raggiunta d’Inverno è di -60°C, d’estate di -50°C al Polo Nord e di -80°C al Polo Sud.
Mesosfera. La mesosfera, alla lettera media atmosfera, si estende fino ad una quota di 80-85 Km, è lo strato al di sopra della stratosfera, separato da questa da una zona di transizione detta stratopausa.
La composizione chimica della mesosfera prevede la scomparsa rapida del biossido di carbonio con la quota, una più veloce diminuzionde della percentuale di vapore acqueo presente e così vale anche per la percentuale di ossigeno presente. Aumenta invece la la percentuale dei gas leggeri presenti: elio ed idrogeno. Poiché manca l’effetto riscaldante dell’ozono, nella mesosfera la temperatura decresce con la quota fino a stabilizzarsi al limie superiore della mesosfera (-80°C): sono quindi favoriti i moti verticali al suo interno. Durante l’estate si possono innescare moti convettivi che danno origine a sottili nubili al di sopra delle fasce polari visibili solo la notte chiamate nubi nottilucienti. Lo sviluppo di tali nubi si pensa sia associato alla presenza di pulviscolo vulcanico o di origine meteoritica: le particelle del pulviscolo fungono da nucleo di aggregazione per le tracce di vapore presente.
Nella mesosfera si osservano le scie luminose delle meteore (comunemente note come stelle cadenti) e si possono anche osservare le aurore polari particolarmente basse.
Lo strato di atmosfera costituito dalla troposfera, dalla stratosfera e dalla mesosfera prende il nome di omosfera: la composizione chimica dell’atmosfera per questi tre strati rimane costante escluso per le concentrazioni del vapore acqueo, dell’ozono e del biossido di carbonio.Al di sopra dell’omosfera vi è l’eterosfera, dopo uno strato di transizione. Nell’eterosfera i cammini liberi medi delle molecole diventano molto grandi.
Termosfera. La termosfera si estende per centinaia di chilometri e presenta oscillazioni termiche tra giorno e notte di circa 1000°C. Per quanto riguarda la composizione chimica: nelle zone più basse predomina la presenza di azoto ed ossigeno molecolari e di ossigeno atomico generato da fotodissociazione, elemento che diventa predominante a quote superiori.
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