Come funziona l’Atmosfera terrestre? – Parte II

Questo è il secondo di una serie di approfondimenti che vuole portarci a capire più a fondo il funzionamento dell’atmosfera terrestre: dalla composizione dell’aria che respiriamo alle aurore boreali, dalla dinamica atmosferica al riscaldamento globale. Dopo aver introdotto nella prima parte i concetti di equilibrio idrostatico e la stratificazione atmosferica, in questo secondo capitolo parliamo della composizione chimica. 

Conoscere la composizione chimica dell’atmosfera terrestre è di fondamentale importanza per comprenderne i processi che vi si verificano e le interazioni con la biosfera, l’insieme degli organismi viventi che popolano il nostro pianeta. La composizione chimica dell’atmosfera può variare per varie ragioni, sia di origine antropica (ad esempio a causa delle emissioni della combustione) che non antropica (vulcani, fulmini, tempeste solari).

Come detto nel primo di questi approfondimenti, il 99.9 % dell’atmosfera terrestre è contenuta entro i primi 50 km di altitudine, ma dal punto di vista della composizione chimica, l’atmosfera terrestre viene suddivisa in omosfera ed eterosfera. L’omosfera si estende circa fino ad 80-100 km di altitudine, ed indica la parte di atmosfera in cui la composizione chimica resta sostanzialmente costante nel tempo ossia, sebbene il contenuto totale di gas varii, la composizione relativa dei suoi componenti resta in pratica invariata nel tempo. L’eterosfera è invece la porzione superiore a questa altitudine in cui questa affermazione è falsa.

Si può operare una distinzione tra gas fissi e gas variabili, a seconda del loro rimanere quantitativamente quasi costanti nel tempo e nello spazio o meno. La seguente tabella mostra il contenuto delle varie specie chimiche omosferiche in percentuale ed in parti per milione (di volume). Da notare che il contenuto si calcola per l’aria secca, ossia senza considerare il vapor acqueo.

Composizione chimica dell’atmosfera in percentuale ed in ppmv. Credits: Fundamentals of Atmospheric Modeling

I gas fissi

I gas fissi principali sono l’azoto molecolare (N2) e l’ossigeno molecolare (O2), che insieme compongono circa il 99% di tutta la chimica omosferica. La maggior parte del rimanente 1% è composta da argon (Ar), un gas chimicamente inerte (ossia che tende a non reagire con altre sostanze). Per far sì che le percentuali di tali gas restino costanti, è necessario che vengano prodotti tante particelle quante ne vengono rimosse.

  • Azoto molecolare (N2): prodotto biologicamente per denitrificazione dei terreni, un processo in cui alcuni batteri (Achromobacter, Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas, Spirillum) in condizioni anaerobiche, ossia prive di ossigeno, respirano azoto invece che ossigeno. Altri processi di produzione sono la decomposizione batterica della materia organica e l’applicazione di fertilizzanti. La rimozione avviene per fissazione nel terreno, sempre a mezzo di batteri (Rhizobium, Azotobacter, Beijerinckia) in condizioni aerobiche.
  • Ossigeno molecolare (O2): prodotto per fotosintesi dalle piante, attraverso la reazione tra molecole di anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O). La rimozione avviene per respirazione.
  • Argon e altri: l’argon (Ar) è un gas inerte formato per decadimento del potassio. Altri gas presenti in traccia sono il neon (Ne), l’elio (He), il krypton (Kr) e lo xenon (Xe), prodotti anch’essi per decadimento radioattivo nella crosta terrestre.

 I gas variabili

Si tratta di gas la cui concentrazione varia significativamente nel tempo e nello spazio. Nell’atmosfera sono presenti migliaia di gas variabili, ma di questi quelli importanti sono una dozzina, di cui i principali:

  • Vapore acqueo (H2O): prodotto principalmente per evaporazione dai terreni, laghi, fiumi, oceani e mari, e per sublimazione dai ghiacciai, dal ghiaccio marino, dalla neve e per traspirazione dalle piante. Inoltre viene prodotto artificialmente durante la combustione di carburante. Circa l’85% comunque proviene dall’evaporazione superficiale degli oceani. La rimozione di vapor acqueo avviene per condensazione in acqua liquida, deposizione di ghiaccio, trasferimento dagli oceani ad altre superfici, e reazioni con altri gas. La percentuale di vapor acqueo in atmosfera è sensibilmente variabile con la latitudine: quando la temperatura è bassa, per esempio ai poli, l’acqua in atmosfera è poca perché condensa rapidamente in ghiaccio; all’equatore invece l’evaporazione è molto più rapida a causa delle elevate temperature, e la percentuale di acqua arriva al 4%.
  • Biossido di carbonio (CO2): prodotto dalla respirazione, dalla decomposizione di materia organica, dall’evaporazione dagli oceani, dalle emissioni vulcaniche, e dalla combustione di fonti fossili. L’anidride carbonica, così come il vapor acqueo, è un gas serra, ossia assorbe la radiazione infrarossa proveniente dalla superficie terrestre. Viene rimossa per fotosintesi e dissoluzione negli oceani e durante le precipitazioni. La permanenza media di una molecola di anidride carbonica in atmosfera è di 30-95 anni.
  • Metano (CH4): è prodotto in ambiente anaerobico, quando i batteri produttori di metano consumano materia organica e producono questo gas. Questi ambienti anaerobici comprendono le risaie, le discariche e gli intestini. Viene inoltre prodotto nel terreno per decomposizione del carbone fossile.
  • Ozono (O3): è un gas formato per reazione fotochimica nella stratosfera. Si veda la Parte I di questo approfondimento per ulteriori dettagli.

Aerosol

Nell’atmosfera non si trovano solamente gas. In essa infatti, possono trovarsi sospese anche particelle solide o liquide, dette aerosol. La presenza di queste particelle in atmosfera è dovuta principalmente all’azione dei venti sui deserti, dove le sabbie sottili vengono prelevate e trasportate, e all’azione dei vulcani. Esistono anche aerosol di origine antropica prodotte dai processi industriali e di combustione.

Gli aerosol sono molto importanti in quanto nuclei di aggregazione. In pratica le particelle di vapor acqueo vanno a depositarvisi, andando a costituire dei nuclei per la formazione di nubi.

Tendenzialmente le particelle in sospensione non assorbono radiazione solare in misura significativa, ma sono molto importanti nei processi di diffusione (scattering), dando un contributo importante alla distribuzione dell’energia radiativa proveniente dal Sole.

Come funziona l’atmosfera terrestre? – Parte I 

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