L'aria è il miscuglio di gas costituenti l'atmosfera terrestre.

In un contesto non scientifico, l'aria è uno dei quattro elementi "classici" (aria, acqua, terra, fuoco).

 

 

Composizione dell'aria

L'aria secca al suolo è composta all'incirca per il 78% di azoto, per il 21% di ossigeno e per l'1% di argon, più altri componenti in quantità minori.

L'aria cosiddetta umida può contenere fino a un 7% di vapore acqueo; tale percentuale dipende dal tasso di umidità relativa dell'aria e dalla temperatura ed è limitata dalla pressione di vapore saturo dell'acqua.

Il tasso di diossido di carbonio risulta molto variabile negli ultimi tempi. In particolare le attività umane (industria, inquinamento, combustione, deforestazione, ecc...) hanno prodotto un grosso incremento di questa percentuale nell'ultimo secolo, passata da circa 280 ppm nel 1900 a 315 ppm nel 1970 fino a 350 ppm (0.035%) negli ultimi anni. La concentrazione di tale componente sembra essere (insieme a quella del metano ed altri gas) uno dei responsabili principali dell'effetto serra.

Infine, la composizione e la pressione dell'aria cambiano fortemente con l'altitudine.

Composizione dell'aria secca

Nome

Formula

Proporzione

Azoto

N2

78,08 %

Ossigeno

O2

20,95 %

Argon

Ar

0,934 %

Diossido di carbonio

CO2

da 330 a 350 ppm

Neon

Ne

18,18 ppm

Elio

He

5,24 ppm

Monossido di azoto

NO

5 ppm

Kripton

Kr

1,14 ppm

Metano

CH4

1 / 2 ppm

Idrogeno

H2

0,5 ppm

Ossido di diazoto

N2O

0,5 ppm

Xeno

Xe

0,087 ppm

Diossido di azoto

NO2

0,02 ppm

Ozono

O3

da 0 a 0,01 ppm

Radon

Rn

6,0×10-14 ppm

Nota: 1 ppm (parte per milione) = 0,0001 %

 

 

 

Atmosfera

 

La parola atmosfera designa l'involucro gassoso che avvolge un pianeta o in generale un corpo celeste, le cui molecole sono trattenute dalla forza di gravità del pianeta stesso. In senso lato, sta ad indicare anche una unità di misura di pressione, oppure il tipo di ambiente sociale percepito in un dato luogo.

Indice

 

 

Atmosfera fisica

 

Atmosfere planetarie

Per le leggi della meccanica statistica e per l'irraggiamento solare, i gas costituenti una atmosfera planetaria subiscono una dispersione costante: a seconda della grandezza del pianeta in questione e della vicinanza alla stella intorno a cui eventualmente orbita, questo processo può assottigliare ed estinguere l'atmosfera del pianeta stesso in tempi più o meno rapidi, ma sempre dell'ordine dei milioni di anni. L'atmosfera viene rifornita di nuovi gas dalle eruzioni vulcaniche; quindi i pianeti geologicamente attivi tendono a mantenere più facilmente una atmosfera.

I pianeti esterni la mantengono in quanto la bassa temperatura fa sì che anche idrogeno ed Elio non superino la velocità di fuga.


L'ossigeno libero è presente solamente nell'atmosfera della Terra, mentre in tutte le altre atmosfere di pianeti del sistema solare studiate finora non se ne è trovata traccia.

La spiegazione di questo fatto è che l'ossigeno è un gas estremamente reattivo, che nel tempo si combina completamente con le rocce e gli altri composti della superficie, ossidandoli e sparendo dall'atmosfera. La sua presenza sulla Terra è conseguenza della attività biologica di Piante e alghe, che lo producono in grandi quantità come sottoprodotto della fotosintesi: per questo motivo, si considera la presenza di ossigeno gassoso in quantità apprezzabili nell'atmosfera di un dato pianeta come indicatore della presenza di vita su di esso.

Si possono individuare tre grandi regioni dell'atmosfera di un pianeta:

 

Troposfera

È la fascia a diretto contatto con la superficie terrestre ed ha uno spessore variabile a seconda della latitudine: ai poli è spessa solamente 10 chilometri mentre raggiunge i 16 chilometri all'equatore. In essa sono concentrati i ¾ dell'intera massa gassosa e quasi tutto il vapore acqueo dell'atmosfera. È lo strato dove avvengono la maggior parte dei fenomeni di carattere meteorologico, causati dalla circolazione delle masse d'aria e che danno vita ai venti, alle nuvole ed alle precipitazioni atmosferiche. La troposfera è scaldata principalmente dal suolo. Ne deriva che la temperatura diminuisce con l'altitudine, e varia da 15°C a -70°C. Ad un certo punto la temperatura si stabilizza a -60ºC circa: è la tropopausa, la zona di transizione fra troposfera e stratosfera. La maggior parte degli inquinanti atmosferici emessi rimane confinata nella troposfera, alcuni concentrati vicino alla superficie terrestre, altri come O3, CO2, CH4, sono distribuiti in modo più uniforme. La troposfera è il luogo della vita: tutte le piante e tutti gli esseri umani vivono in essa, utilizzando alcuni dei gas che la costituiscono.

 

Ionosfera

È lo strato di atmosfera in cui sono presenti ioni in grandi quantità: è costituita dagli strati esterni dell'atmosfera, esposti alla radiazione solare diretta che strappa gli elettroni dagli atomi e dalle molecole. Contiene, nel suo insieme, una frazione minima della massa gassosa atmosferica, circa l'1% solamente (è estremamente rarefatta), ma ha uno spessore di alcune centinaia di chilometri e assorbe buona parte delle radiazioni ionizzanti provenienti dallo spazio: il resto viene assorbito dalla troposfera sottostante, il cui grado di ionizzazione è però trascurabile.

La ionosfera riveste una grande importanza nelle telecomunicazioni, perché è in grado di riflettere le onde radio aiutandole a propagarsi oltre la portata visibile: sulla terra, questo fenomeno è particolarmente forte per le onde radio di frequenza compresa fra i 3 e i 30 MHz, le cosiddette onde corte. Con l'aumentare della frequenza aumenta anche il grado di ionizzazione necessario per sostenere la propagazione.

 

L'atmosfera terrestre

La Terra ha una atmosfera complessa e divisa in più strati, che in ordine di altezza sono: Troposfera, Stratosfera, Mesosfera, Termosfera, Esosfera; la sua composizione chimica media è la seguente:

Sono anche presenti, in tracce, Ossidi di azoto (NO, NO2; N2O), Monossido di carbonio (CO), Ammoniaca (NH3), Biossido di zolfo (SO2), Solfuro di idrogeno (H2S).

Non tutti gli strati hanno le stesse concentrazioni di gas: ad esempio il vapore acqueo è presente quasi soltanto nella troposfera, lo strato più basso, ed è praticamente assente nella termosfera e nell'esosfera, che viceversa contengono quasi tutto l'elio e l'idrogeno, e l'ozono è contenuto in massima parte nella stratosfera, in cui costituisce un importante strato.

 

Troposfera

È lo strato in cui si verificano quasi tutti i fenomeni meteorologici e contiene l'80% della massa gassosa totale e il 99% del vapore acqueo: la superficie terrestre, riscaldata dal sole, scalda l'aria degli strati più bassi che tende a salire, generando delle grandi correnti convettive che generano venti equatoriali costanti (gli alisei) e perturbazioni atmosferiche. Ha uno spessore variabile a seconda della latitudine: ai poli la troposfera è spessa solamente 8 Km mentre raggiunge i 18 Km all'equatore. La pressione atmosferica decresce con l'altitudine secondo una legge esponenziale; oltre i 7-8 Km di quota la pressione è tanto bassa che non è più possibile respirare senza l'uso di maschere collegate a bombole di ossigeno.

Salendo in quota, oltre alla pressione, decrescono anche la temperatura e il contenuto di vapore acqueo dell'aria. Ad un certo punto la temperatura si stabilizza a -60ºC circa: è la tropopausa, la zona di transizione fra troposfera e stratosfera.

 

Stratosfera

È lo strato atmosferico che sta al di sopra della troposfera, ed arriva ad un'altezza di 50-60 chilometri. Qui avviene un fenomeno chiamato inversione termica: cioè, mentre nella troposfera la temperatura diminuisce con l'altezza, nella stratosfera aumenta, fino alla temperatura di 0°C. Questo è dovuto alla presenza di uno strato di ozono (molecola di ossigeno triatomica), l'ozonosfera, che assorbe la maggior parte delle radiazioni solari ultraviolette. Nella stratosfera i componenti si presentano sempre più rarefatti, il vapore acqueo e il pulviscolo diminuiscono; esistono ancora alcuni rari fenomeni meteorologici e certi particolari tipi di nubi (cirri).

 

Mesosfera

In questa zona, che va dai 50 agli 80 Km di quota, l'atmosfera non subisce più l'influsso della superficie terrestre, ed è costante a tutte le latitudini. Non ci sono più né venti né correnti ascensionali, né nubi o perturbazioni: l'aria è completamente calma. In queste condizioni, i gas si stratificano per diffusione, e la composizione chimica media dell'aria inizia a variare man mano che si sale. L'anidride carbonica scompare rapidamente e il vapore acqueo ancora più 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'effetto riscaldante dell'ozono è terminato, e la temperatura diminuisce sempre più con la quota fino a stabilizzarsi, al limite superiore della mesosfera, a circa -80ºC (mesopausa).

In questo strato hanno origine le stelle cadenti, cioè i piccoli meteoriti che non riescono a raggiungere la superficie terrestre e bruciano prima di raggiungere la terra, lasciando scie luminose. Oltre la mesopausa, alla quota di circa 100 Km, l'aria è 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 mesopausa viene considerata il confine con lo spazio.

 

Termosfera

Oltre la mesopausa inizia la termosfera. In questo strato i gas presenti sono tanto rarefatti che è più opportuno parlare di atomi e molecole, che ricevono quasi interamente la radiazione solare diretta e sono quindi in prevalenza allo stato ionizzato (insieme agli strati superiori della mesosfera, la termosfera costituisce la ionosfera terrestre). La temperatura in questo strato sale con l'altitudine, per l'irraggiamento solare, ed arriva ai 1700ºC al suo limite esterno. Al confine fra mesopausa e termosfera hanno luogo le aurore boreali.

La composizione chimica è ancora simile a quella media, con una predominanza di azoto e ossigeno, ma cambia sempre più 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.

 

Esosfera

La parte più esterna della atmosfera terrestre, dove la composizione chimica cambia radicalmente. L'esosfera non ha un vero limite superiore, arrivando a comprendere anche le fasce di Van Allen. I suoi costituenti, come già detto, sono per lo più idrogeno ed elio, in maggioranza particelle del vento solare catturate dalla magnetosfera terrestre.

 

Atmosfere stellari

Anche gli strati esterni di una stella sono formati di gas, per quanto estremamente caldo e per lo più sotto forma di plasma. La composizione di questi strati gassosi varia con il tipo e l'età della stella, ma si tratta in massima parte di idrogeno, con una percentuale minoritaria di elio. Gli eventuali elementi più pesanti, come l'ossigeno, il boro, il carbonio ecc. sono presenti in piccole percentuali o in tracce, e restano in massima parte sepolti negli strati interni della stella stessa.

 

Cromosfera

La cromosfera è lo strato più basso e più freddo. La base della cromosfera è costituita dal limite ottico della stella (la fotosfera), cioè il punto in cui il gas che la compone smette di essere trasparente alla luce. Non è visibile direttamente, a causa dell'estrema luminosità della fotosfera sottostante, ma si può vedere durante le eclissi o con speciali strumenti, i coronografi, che filtrano la luce solare lasciando passare solo la lunghezza d'onda alfa dell'idrogeno. La cromosfera è anche sede di intense eruzioni, in corrispondenza al comparire di macchie solari nella fotosfera, che liberano una energia pari a circa 1021 Joule sotto forma di luce, raggi ultravioletti, raggi gamma e onde radio.

Il suo aspetto è quello di una prateria in fiamme: si vede una serie infinita di lingue di fuoco dette spicole, che ondeggiano incessanti e si estendono verso l'alto per circa 7000 Km. Nella sua parte bassa, la temperatura è inferiore a quella della fotosfera sottostante, ma dai 500 Km di quota in su comincia a salire, fino a raggiungere e superare il milione di gradi nella parte più alta, al confine con la corona.

 

Corona

La corona è composta di gas estremamente rarefatto, qualche microgrammo per metro cubo, e caldissimo: la temperatura dei gas coronali può andare da uno a ad alcuni milioni di gradi. Il motivo di una temperatura tanto alta è tuttora sconosciuto, anche se probabilmente è celato nell'interazione dei campi magnetici solari con il gas, che in queste condizioni è completamente ionizzato e in forma di plasma.

Si estende dal limite della cromosfera fino allo spazio esterno, e la sua forma risente del campo magnetico solare e di quello, molto intenso, delle macchie solari: è sferica e molto estesa nei periodi di alta attività del sole e si restringe in modo irregolare nei periodi di sole calmo (niente macchie solari). Come la cromosfera, non è possibile vederla direttamente, ma bisogna attendere una eclissi o usare degli strumenti particolari: quando è visibile, ha una luminosità circa uguale a quella della luna piena.

Data la sua enorme temperatura, la corona perde continuamente materia, che si disperde nello spazio esterno dando origine al vento solare. Anche nella corona l'effetto delle macchie solari provoca eruzioni, le cosiddette protuberanze, getti di gas e materia verticalmente alla superficie della stella che si estendono per centinaia di migliaia di Km.