L atmosfera terrestre

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1 L atmosfera terrestre Miscuglio di gas che circonda la Terra La suddivisione dell atmosfera in base alla composizione a) Omosfera (0-90km) b) Eterosfera ( km) Composizione dell omosfera (escluso H 2 O) 100% Azoto 78,084% (N 2 ) Idrogeno 0 Ossigeno 20,946% (O 2 ) 1% Argon 0,934% (A) Omosfera Azoto molecolare Elio Ossigeno atomico N 2 78% O 2 21% A 1% CO 2 0,033% rimanente 0.97% 0 Anidride carbonica (CO 2 ) 0,033% rimanente 0.003% percentuale Neon (Ne) 0,00182 Elio (He) 0,00053 Krypton (Kr) 0,00012 Xenon (Xe) 0,00009 Idrogeno (H 2 ) 0,00005 Metano (CH 4 ) 0,00002 Ossido di Azoto (N 2 O) 0,00005 totale 0,00268 Raggio terrestre 1

2 La suddivisione dell atmosfera in base alla temperatura -80 ( ±25 ) 2

3 La troposfera Vapor d acqua (precipitazioni, assorbimento di calore) Pulviscolo atmosferico (crepuscolo, nuclei di condensazione) Spessore e temperatura ( F) Gradiente verticale di temperatura dell ambiente = 0,65 C/100m (valore medio). 3

4 Il concetto di temperatura nella termosfera... E opportuno fare ora una precisazione in merito al reale valore che assume la temperatura in queste zone alte dell atmosfera. Quando si dice, ad esempio, che a 400km la temperatura è dell ordine di 1000 e più, ci si riferisce al livello energetico del moto disordinato di molecole, atomi e ioni del gas atmosferico e non alla temperatura che assumerebbe un corpo solido, ad esempio un termometro, che venisse portato a quelle quote. L aria infatti è estremamente rarefatta, tanto da non essere più capace di imporre il suo livello termico ad un aggregato molecolare così denso com è un corpo solido; cioè i singoli atomi e molecole dell aria a queste alte quote possono bensì avere una temperatura assai elevata, che loro proviene dalla radiazione solare diretta, ma essendo il loro numero piccolissimo, la quantità di calore complessiva che tali particelle possono trasmettere è del tutto trascurabile. Inoltre, data l estrema rarefazione dell aria, la probabilità che queste particelle, che pure hanno velocità enorme, possano colpire un corpo sono scarsissime; ma anche se supponiamo che a tali altezze un certo numero di atomi colpisca un corpo, l apporto di calore verso di esso sarebbe trascurabilissimo. Quest ultimo dunque, non essendo influenzato dalle condizioni dell aria che lo circonda, acquista una quantità di calore e una temperatura che derivano esclusivamente dall incidenza su di esso della radiazione solare diretta. Questa è la sola causa dell agitazione molecolare che si verificherebbe nella parte esposta al Sole, la quale verrebbe ad acquistare una temperatura abbastanza alta (a seconda della natura e del colore del corpo stesso) ma di gran lunga inferiore ai dei rarissimi atomi vaganti nei dintorni. La parte del corpo che viene a trovarsi in ombra però resterebbe freddissima e ciò perchè gli atomi circostanti non sarebbero sufficienti a fornire energia termica, per le ragioni già indicate. Ne consegue che se il corpo che abbiamo supposto trovarsi a queste altezze fosse un organismo umano, esso perirebbe ben presto a causa di scottature e di congelamento insieme. Risulta dunque evidente che nell alta atmosfera la temperatura assume un significato puramente cinetico e che essa non risulta misurabile mediante un normale termometro, il quale funziona soltanto in presenza di una considerevole massa del corpo da sottoporre a misurazione (come l aria, abbastanza densa, degli strati più bassi dell atmosfera) Se nella termosfera la temperatura raggiunge 1000 C e anche più, vi domanderete come satelliti e astronauti possano sopravvivere in questo intenso calore. La risposta sta nel significato della parola temperatura e nella bassissima densità dell aria. La temperatura è definita in base alla velocità media con cui le molecole si muovono: a temperature alte le molecole si muovono molto in fretta; man mano che la temperatura si abbassa le molecole si muovono sempre più lentamente, finché vicino allo zero assoluto non si ha praticamente più moto. Il riscaldamento di un oggetto per conduzione è causato da ripetute collisioni tra molecole che si muovono rapidamente verso l esterno: queste collisioni spingono le molecole dell oggetto a muoversi ancora di più, producendo così una temperatura ancora più alta. Le molecole della termosfera si muovono a velocità altissima, come mostrano le temperature, ma data la bassissima densità della termosfera solo pochissime di queste molecole d aria si scontrano con un corpo estraneo, come per esempio un satellite. Così, dato l esiguo numero di collisioni, la temperatura dell atmosfera fuori dal satellite ha poco effetto sulla temperatura superficiale del satellite stesso. In realtà, a causa della bassissima densità dell aria nell alta termosfera, l effetto della temperatura quale noi lo conosciamo non esiste, e la principale fonte di riscaldamento per il satellite è risultato diretto delle radiazioni provenienti dal Sole, che vengono regolate dalla superficie riflettente del satellite. 4

5 La pressione atmosferica 1cm 2 = 1033g (l.m.m, Lat.45 ) 1mb = 1000dine/cm 2 1mm = 1,333mb 760mm = 1013,2mb 5

6 Barometro aneroide Barografo Altimetro 6

7 Raggi x, gamma e ultravioletti 400km La Ionosfera IONOSFERA (ioni di N e O) 80km 55km 35km OZONOSFERA 20km (O 3 ) 10km 7

8 L Ozonosfera UV dì UV O 2 O + O (1) O + O 2 O 3 (2) O 3 O 2 + O (3) notte Emissione di calore O 3 + O 2O 2 UV CFC Cl +O 3 ClO + O 2 ClO + O Cl + O 2 8

9 La Magnetosfera Lat N Long. 69 W (1990) Lat S Long. 111 W (1990) 9

10 elettroni e protoni Le aurore polari 10

11 11

12 Schema riassuntivo della struttura dell atmosfera 12

13 Ultravioletto Lunghezza d onda (micron) Radiazione a onde corte Radiazione a onde lunghe La radiazione solare Lo spettro elettromagnetico Con l aumentare della temperatura diminuisce la lunghezza d onda delle radiazioni emesse Curva di emissione del Sole (t ~ 6000 K) 4 μ Luce visibile Rosso Arancio Giallo Verde Blu Violetto Raggi X Raggi Gamma 9% 41% 50% 13

14 Costante solare 2 cal cm -2 min -1 langley ly 1 ly = 1 cal cm -2 2 ly min -1 1 ly/min 0 ly/min 1,7 ly/min 2 ly/min 1 cm 2 / sen 60 = 1 / 0,866 = 1,1547 cm 2 2 ly min -1 / 1,1547 cm 2 = 1,73 ly min -1 1 cm 2 / sen 30 = 1 / 0,5 = 2 cm 2 2 ly min -1 / 2 cm 2 = 1 ly min -1 14

15 Distribuzione dell insolazione annua in funzione della latitudine emisfero nord 15

16 L insolazione giornaliera in un luogo della superficie terrestre è funzione : a) della durata del dì b) della inclinazione dei raggi solari che dipendono: a) dalla latitudine b) dalla posizione della Terra lungo l orbita (giorno dell anno) 16

17 Riflessione, diffusione e assorbimento della radiazione solare in arrivo 1) Riflessione speculare, riflessione diffusa 2) Diffusione o dispersione (scattering) (deflessione casuale) 3) Assorbimento: a) Ionizzazione (Ionosfera) b) Dissociazione (Ozonosfera) c) Riscaldamento 17

18 ~150 km 100% = 263 kly (media annua) valore medio ~ 21% ~ 6% valore medio ~ 3% l 80% raggiunge la superficie dal 45% allo 0% raggiunge la superficie valore medio ~ 50% 18

19 Bilancio della radiazione (medio globale, medio annuo) e 1) Effetto serra onde corte in entrata 68 trattenute dall atmosfera 18 (26 %) non trattenute 50 (74%) onde lunghe in uscita 98 trattenute dall atmosfera 90 (92%) non trattenute 8 (8%) Presenza di 77 unità in circolo Temperatura media senza effetto serra -20 C Assorbimento della superficie 18 2) Riscaldamento dell atmosfera dal basso 19

20 Quantità di energia Radiazione solare in entrata Effetto serra Onde corte Onde lunghe 20

21 Riscaldamento dell atmosfera principalmente dal basso (vedi pag.2) -80 ( ±25 ) 21

22 Bilancio della radiazione sulla superficie terrestre e nell atmosfera fig volte Superficie terrestre In entrata: 50 + In uscita: = 127 Radiazione netta: = 29 Atmosfera In entrata: 18 + In uscita: = 77 = Radiazione netta: =

23 Bilancio della radiazione in funzione della latitudine Trasporto meridiano annuo di calore (emisfero nord) Atmosfera Oceani Deficit di radiazione netta Trasporto meridiano di calore Eccedenza di radiazione netta latitudine Trasporto di calore (kcal/a x ) 90 0, , , , , , , , ,21 0-0,26 Quantità utilizzata o prodotta -0,35-0,90-1,15-1,00-0,51 0,35 1,02 1,33 1,47 23

24 Misura della radiazione solare Piranometro (Attinometro) Il sensore è costituito da una serie di sensori termoelettrici che misurano la differenza tra la temperatura ambiente e la temperatura di un corpo nero che assorbe tutta la radiazione solare incidente, nello spettro che va dall ultravioletto all infrarosso ( μm). Misura della temperatura dell aria Tubo di vetro Freddo Caldo R Termometro a liquido Termometro bimetallico Ottone Ferro + _ Termometro elettrico Mercurio o alcool 24

25 Misura giornaliera della temperatura Tmax Tmin Tmedia = (Tmax + Tmin) / 2 Bolla d aria Termometri a massima e a minima Alcool Barretta metallica _ + Barretta metallica + _ Mercurio Termometro di Six-Bellani (a massima e minima) 25

26 Termografo Carta diagrammata (a registrazione giornaliera, settimanale o mensile) Elemento sensibile (lamina bimetallica ad anello) Capannina meteorologica 26

27 Scale di misura della temperatura Celsius (o centigrada) C (1742) Fahrenheit F (1724) Kelvin K (1868) F = 9/5 C + 32 C = 5/9 ( F 32) Es.: 50 C 9/5 x = 122 F 122 F 5/9 x (122 32) = 50 C K = C C = K

28 Riscaldamento e raffreddamento in ambiente marino e continentale ambiente marino ambiente continentale Escursione termica (Tmax Tmin) ridotta elevata Riscaldamento e raffreddamento lento rapido Calore specifico Acqua 1,0 granito, basalto, argilla 0,2 28

29 Isole Scilly 29

30 Estate N Inverno Equatore 30

31 Temperature in quota Aumento quota Diminuzione spessore e densità dell atmosfera Riduzione effetto serra Riduzione della temperatura Maggiore escursione termica Kilimanjaro (5890 m) 31

32 5895m 32

33 Equatore

34 Le principali correnti oceaniche 34

35 Isoterme di Gennaio (temperature medie mensili in F) C - 34 C - 40 C C - 35 C 35

36 Isoterme di Luglio (temperature medie mensili in F) 15 C 40 C - 60 C 0 C 36

37 Gennaio - 30 C - 35 C Luglio - 60 C 0 C 37

38 Escursione termica annua (temperature medie mensili in F) 61 C 50 C 26 C Isoamplitudinali Linee che uniscono i punti con eguale escursione tra la temperatura media del mese più caldo e quella del mese più freddo 20 C Caratteristiche delle isoterme 1) Andamento est-ovest (parallele ai paralleli) 2) Diminuzione dei valori di temperatura dall Equatore ai Poli 3) Spostamento stagionale di latitudine 4) Deviazione al passaggio fra ambiente marino e continentale 5) Deviazione in corrispondenza delle correnti marine 6) Deviazione in corrispondenza dei rilievi montuosi 38

39 Ciclo giornaliero della temperatura (32 N) (46 N, coste del Pacifico) (~50 N) 39