Origine, composizione chimica e struttura verticale dell' atmosfera

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Origine, composizione chimica e struttura verticale dell' atmosfera

Messaggio Da ale90 il Lun Mar 24, 2014 10:07 pm

Parte prima

Composizione chimica dell' atmosfera


I gas che compongono l' atmosfera sono:

Azoto (N2): 78,084%
Ossigeno (O2): 20,946%
Argon (Ar): 0,934%
Vapor acqueo(H2O):0-6%
Anidride carbonica (CO2): 0,0391% (391 ppm)
Ozono (O3):2-8 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)

Il vapor acqueo, l'ozono sono elementi che hanno concentrazioni molto variabili, ma entrambi hanno un ruolo fondamentale nelle dinamiche atmosferiche.

Talvolta è utile lavorare in aria secca ( trascurando il contenuto divapor acqueo) perchè in questo caso si può considerare l' aria come un gas perfetto, ovvero vale legge dei gas perfetti: P*V=n*R T. Dove P=pressione, V=volume, n= numero di moli, R=costante, T=temperatura in kelvin.

L' origine dell' atmosfera

Molti di voi, probabilmente, si saranno chiesti qual è l' origine dell' atmosfera terrestre. Ebbene alla nascita (4,5 miliardi di anni fa) la Terra NON aveva un' atmosfera stabile e l' atmosfera primordiale costituita principalmente da idrogeno ed elio è stata rapidamente spazzata via dal vento solare. L' atmosfera ha iniziato a formarsi "solo" 3 miliardi di anni fa, grazie al degassamento di materiali volatili dall' interno delle Terra, questo processo continua ancora al giorno d' oggi con i vulcani.

I vulcani emettono questi gas: 85% H2O, 10%CO2, SO2, N2.

Come potete vedere la composizione di questi gas è molto diversa della composizione chimica dell' atmosfera, perchè?

Perchè la composizione chimica dell' aria è dovuta all' interazione dei gas emessi dai vulcani con tutti i comparti del sistema climatico terrestre che sono:

-criosfera
-idrosfera
-atmosfera
-biosfera
-litosfera

Vediamo ora alcuni cicli dei vari gas dell' atmosfera.

Cominciamo dal ciclo dell' acqua.

I vulcani emettono una gran quantità di vapor acqueo, ma esiste un massimo di vapor acqueo che può essere contenuto in atmosfera ad una certa temperatura. Il vapor acqueo in eccesso condensa portando la formazione di nubi e precipitazioni. Queste precipitazioni hanno portato alla formazione dei mari e degli oceani. Si stima che i vulcani abbiano emesso circa il 5% del vapor acqueo contenuto all' interno della Terra. Dai mari e dagli oceani e dai continenti l' acqua ritorna in atmosfera grazie ai processi di evapotraspirazione

Se andiamo ad osservare una mappa dove è rappresentata la differenza tra l' acqua evaporata e le precipitazioni notiamo che, nelle aree continentali c' è un surplus di acqua, mentre nelle aree oceaniche c' è un deficit d' acqua; i fiumi hanno un ruolo determinante nel mantere l' equilibrio; infatti "riportano" il surplus d' acqua negli oceani e nei mari.




Inoltre nei fondali oceani c' è un passaggio d' acqua  dai mari verso l' interno della Terra.
Ovviamente  anche la biosfera ha un ruolo importante nel ciclo dell' acqua, basti pensare che gli esseri viventi sono composti per il 70% di acqua.

Ciclo della CO2

La CO2 è un gas solubile in acqua, quindi una buona parte dell' anidride carbonica viene assorbita dai mari e dagli oceani.

La biosfera ha un ruolo fondamentale anche nel ciclo della CO2, con tutti i processi legati al metabolismo e alla decomposizione.

La concentrazione di CO2 sarebbero intorno alle 270ppm senza le attività antropiche, negli ultimi 150 l' utilizzo dei combustibili fossili ha innalzato la concentrazione di CO2 in atmosfera fino alle 400ppm.

Azoto (N2)

L' azoto è un gas non solubile in acqua e quindi si accumula in atmosfera. Esiste anche un ciclo dell' azoto legato soprattutto alle attività dei batteri. (azotofissione, ecc..)

Argon


L' Argon è un gas nobile che deriva principalmente del decadimento beta del K40 (potassio), essendo un gas nobile è inerte, non reagisce con altri elementi e tende ad accumularsi.

L' ossigeno (O2)

Come avrete visto, l' ossigeno non è emesso dai vulcani,  ma viene emesso da una reazione chimica: la fotosintesi. I primi microorganismi viveno nelle cosidette nicchie ecologiche; ovvero in zone oceaniche non troppo profonde, ma neanche troppo superficiali; infatti a causa dell' assenza dell' O3 la radiazione solare ultravioletta era troppo intensa per permettere lo sviluppo della vita su tutta la Terra. L' ossigeno emesso da questi primi microorganismi non si è accumulato immediatamente in atmosfera, ma prima ha ossidato le rocce terrestri composte da ferro. Solo dopo aver ossidato la crosta terrestre si è potuto accumulare nell' atmosfera. (circa 1,8 miliardi di anni fa)

L' ozono (O3)

L' ozono viene prodotto nella parte superiore dell' atmosfera grazie a reazioni che coinvolgono l' ossigeno molecolare e la radiazione solare.

O2+ en sol= O + O

O+O2* en sol= O3

O3+ en sol= O2 + O

L' ozono ha il compito fondamentale di schermare la componente ultravioletta della radiazione solare, che è quela più pericolosa per la vita.

La formazione dell' ozono ha permesso la diffusione della vita al i fuori delle nicchie ecologiche.

L'elio (He2) e l' idrogeno (H2)

Perchè l' elio, che è un gas nobile, si trova solo in piccole tracce nell' atmosfera?

Perchè essendo molto leggero riesce a fuggire al campo gravitazionale terrestre e se ne va nello spazio aperto. Lo stesso accade per l' idrogeno.

In questa immagine si può osservare lo scattering della radazione solare da atomi di idrogeno "in fuga" dalla Terra.



nella seconda parte descriverò come si può suddividere l' atmosfera per composizione chimica e per temperatura.  Smile

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Re: Origine, composizione chimica e struttura verticale dell' atmosfera

Messaggio Da luca90 il Lun Mar 24, 2014 10:16 pm

Ale, un lavoro sublime, sempre molto attratto dai tuoi interventi, s'impara sempre qualcosa di nuovo!  Wink 
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Re: Origine, composizione chimica e struttura verticale dell' atmosfera

Messaggio Da ale90 il Gio Mar 27, 2014 9:41 pm

Parte 2

L' atmosfera può essere suddivisa in diverse zone in relazione alla diversa composizione chimica o in base all' andamento della temperatura, in questa seconda parte vedremo come sia possibile dividere l' atmosfera in due zone in base alla diversa composizione chimica.

Queste 2 zone sono: l' omosfera e l' eterosfera.

Vediamo alcune caratteristiche di queste zone:


-L' omosfera (turbosfera) è la parte di atmosfera che si estende fino a 100km, in questa zona la composizione chimica dell' atmosfera rimane costante; infatti i moti verticali rimescolano continuamente l' aria. In questa zona è contenuta quasi tutta la massa dell' atmosfera (oltre il 99,9% della massa totale dell' atmosfera)

-l' eterosfera: si estende oltre i 100km/200km , in questa zona i moti verticali sono quasi assenti e la composizione chimica dipende con la quota; infatti negli strati inferiori dell' eterosfera troviamo gli elementi più pesanti, ovvero quelli con massa molecolare maggiore, invece, negli strati superiori sono presenti gli elementi più leggeri (in primis idrogeno ed elio). In questa zona la diffusione molecolare prevale sui moti turbolenti.

Le 2 zone sono separate dalla cosidetta turbopausa dove i moti turbolenti e la diffusione molecolare si equivalgono.




Nella terza e ultima parte proverò a spiegare come l' atmosfera possa essere suddivisa in varie zone in relazione all' andamento della temperatura.  Wink 

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Re: Origine, composizione chimica e struttura verticale dell' atmosfera

Messaggio Da riccardo 94 il Sab Mar 29, 2014 8:32 am

Non sapevo che l'atmosfera si suddivideva per temperatura e composizione  Shocked 
Bravo Ale!!!
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Re: Origine, composizione chimica e struttura verticale dell' atmosfera

Messaggio Da Davimeteo il Sab Mar 29, 2014 12:53 pm

bravo Ale!!! Very Happy Very Happy Very Happy

L'incudine dei temporali nasce perchè la spinta (updraft) viene bloccata dalla tropopausa inversione naturale che separa la troposfera (dove viviamo) dalla stratosfera.

Quando la spinta è molto forte, sopra l'incudine si viene a creare l'overshooting top segnale di temporale molto forte o violento, con grandine assicurata

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Re: Origine, composizione chimica e struttura verticale dell' atmosfera

Messaggio Da ale90 il Lun Mar 31, 2014 8:35 pm

Grazie a tutti per i complimenti  Wink Embarassed 

continuo con la terza e ultima parte  Wink 

Struttura dell' atmosfera secondo il gradiente termico verticale

Partiamo da questo grafico che riassume l' andamento medio della temperatura in atmosfera.



Da questo grafico possiamo individuare 4 strati fondamentali che sono: La troposfera, la stratosfera, la mesosfera e la termosfera.

Vediamo alcuni dettagli dei vari strati:

La troposfera si estende dal suolo fino a circa 10km di altezza, in questo strato la temperatura diminuisce di circa 6,5°C per chilometro. In questa zona
- ci sono i più forti moti verticali causati principalmente dal riscaldamento del suolo
- avvengono tutti i processi fisici che portano alla formazione di nubi e delle precipitazioni
- c'è la massima concentrazione di inquinanti e aerosol
-è racchiusa le maggior parte della massa dell' atmosfera (circa l' 80%)

La zona che separa la troposfera e la stratosfera è chiamata tropopausa, in questa zona la temperatura rimane (quasi)  costante, l' altezza della tropopausa non è la stessa a tutte la latitudini, ma si trova intorno agli 8km ai poli, invece all' equatore si trova intorno ai 16-18km.
In particolare si osserva una discontinuità,ovvero un cambiamento improvviso, dell' altezza della tropopausa attorno ai 30° di latitudine. Questa discontinuità è causa dalla presenza delle correnti a getto.



E' anche interessante notare che la temperatura alla quota della tropopausa non è la stessa a tutte le latitudini, ma ha valori di -55°C ai poli, mentre all' equatore si raggiungono temperature fino a -75°C.



la stratosfera:è la zona sovrastante alla tropopausa, è spessa 35-40km, in questa zona c' è una brusco aumento della temperatura. In questa zona c'è una bassissima concentrazione di vapor acqueo, invece l' ozono raggiunge la concentrazione maggiore (5ppm). L' Aumento di temperatura è causato dall' assorbimento dei raggi ultravioletti da parte dell' ozono. L'assorbimento è massimo al top della stratosfera dove la temperatura può raggiungere e superare gli 0°C.

-In questo strato è contenuto il 19% della massa dell' atmosfera.

-I moti verticali sono molto più deboli rispetto a quelli presenti nella troposfera, quindi le particelle che arrivano in questa zona possono restarci per molto tempo (alcuni anni).

Lo stato che separa la stratosfera dallo strato superiore (mesosfera) è la stratopausa, in questa zona la temperatura rimane circa costante.

La mesosfera: si estende dalla stratopausa fino a 85km, è una regione dove la temperatura decresce con la quota.

-ci sono moti verticali dovuti a questo decremento della temperatura. Questi moti convettivi possono dar origine alla formazione delle nubi nottilucenti. Queste nubi sembrano correlate alla presenza di pulviscolo vulcanico o di polvere meteorica in mesosfera. Queste particella hanno la funzione di nuclei di condensazione permettendo la formazione di queste nubi.



Tra gli 85 e i 100km c' è una zona di transizione in cui la temperatura rimane costante.

Nella mesosfera è contenuto lo 0,99% della massa dell' atmosfera.

Troposfera, stratosfera e mesosfera costituiscono l' omosfera (vedi parte2).

La termosfera è lo strato di atmosfera che si estende dalla mesosfera fino a parecchie centinaia di km d' altezza. In questa zona ci sono fortissime oscillazioni di temperatura (anche più di 1000°C) tra giorno e notte ed in relazione all' attività solare.

-In questa zona gli elementi che costituiscono l' atmosfera (ossigeno molecolare, azoto molecolare, ossigeno atomico) interagiscono con:
1) la radiazione solare (fotodissociazione e ionizzazione).
2) il campo magnetico terrestre (magnetosfera, aurore boreali, fasce di Van Allen)
3)il campo elettrico terrestre (elettrosfera)

In questo strato è contenuto lo 0,01% della massa dell' atmosfera.

Se qualcuno volesse approfondire, questa parte è fatta molto bene sul "Manuale di meteorologia" di Giuliacci da cui ho preso spunto  Wink 

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Re: Origine, composizione chimica e struttura verticale dell' atmosfera

Messaggio Da cerex il Mar Apr 01, 2014 9:25 pm

Gran post Ale, complimenti sinceri  Very Happy Exclamation 
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