Alessandro Fenu : appunti atmosfera per classi prime ATMOSFERA

Transcript

1 ATMOSFERA L atmosfera è l involucro gassoso che avvolge la terra. I gas sono trattenuti dalla forza di gravità. La forza di gravità è inversamente proporzionale al quadrato della distanza; quindi, se ci si allontana dalla terra, la forza di gravità diventa sempre più debole. Quindi, i gas che costituiscono l'atmosfera sono più concentrati a bassa quota e diventano sempre più rarefatti man mano che l'altitudine aumenta (cioè, a grandi altezze, la distanza tra le molecole dei gas che formano l'atmosfera aumenta e la densità diminuisce). L altezza dell atmosfera non è determinabile con precisione, tuttavia il suo limite superiore viene da alcuni studiosi convenzionalmente posto a circa Km dalla superficie della terra (in realtà questo limite è inesistente). 1. composizione chimica della bassa atmosfera (l'aria che respiri) attenzione, nella composizione percentuale non è considerata l'umidità, cioè si parla di aria secca. L aria che respiriamo è un miscuglio di gas: Azoto formula N 2 circa 78 % Ossigeno formula O 2 circa 21 % Gas rari Argon, Elio, Cripto, ecc ( complessivamente circa 1%) Tra i gas presenti in minore quantità, è particolarmente importante il diossido di carbonio, meglio conosciuto come anidride carbonica formula CO 2 (0,033%), di origine naturale ed antropica, per il suo effetto sulla temperatura globale del pianeta (vedi punto n 4 effetto serra). Naturalmente, oltre alle sostanze riportate nel precedente elenco, nell aria è presente acqua allo stato gassoso (vapore acqueo) in quantità variabili (maggiore o minore umidità) 2. struttura dell atmosfera L atmosfera viene divisa in un atmosfera interna, chiamata omosfera (fino a circa 80 Km di quota) con composizione chimica uguale a quella definita nel punto 1, ed in un atmosfera esterna, chiamata eterosfera, composta in prevalenza da idrogeno ed elio. L omosfera viene suddivisa, sulla base di variazioni di temperatura, in tre strati concentrici separati tra loro da discontinuità denominate pause. Strati dell omosfera: Strato n 1 = troposfera In questo strato la temperatura subisce una diminuzione costante di circa 6-7 C per ogni Km (1000 metri) di quota. La troposfera è lo strato più denso. Oltre ai gas citati precedentemente contiene vapore acqueo e particelle solide (pulviscolo atmosferico). In questo strato si hanno i movimenti di masse d aria che provocano i fenomeni atmosferici. La troposfera termina con la tropopausa, posta a circa 8-10 Km di quota in corrispondenza dei poli e a circa Km di quota all equatore. In corrispondenza della tropopausa si raggiunge una temperatura di circa 50 C. Con la tropopausa, la temperatura cessa di diminuire. Strato n 2 = stratosfera In questo strato la temperatura aumenta con la quota (da circa 50 C a circa + 17 C). La composizione chimica è uguale a quella della troposfera ma i gas sono più rarefatti. 1

2 Tra 30 e 50 Km presente lo strato di ozono (O 3 ), un gas instabile molto importante in quanto filtra una parte dei raggi ultravioletti emessi dal sole, proteggendoci dagli effetti negativi di questi raggi. La stratosfera termina con la stratopausa, posta a circa 50 Km di quota. Strato n 3 = mesosfera In corrispondenza di questo strato, la temperatura comincia nuovamente a decrescere, fino a raggiungere circa 80 C. Lo strato termina con la mesopausa, posta a circa 80 Km di quota. In corrispondenza della mesopausa termina l omosfera ed inizia l eterosfera, suddivisa in 2 strati denominati termosfera ed esosfera. Tra la mesosfera e la termosfera (da circa 70 a circa 140 Km di quota) si colloca la ionosfera. Gli atomi di idrogeno ed elio, assorbono i raggi γ (gamma) e X emessi dal sole e si trasformano in ioni positivi. Questo strato di gas ionizzati riflette le onde radio, rendendo possibile il loro utilizzo per le comunicazioni. Strato n 4 = termosfera I gas ( principalmente idrogeno ed elio H 2 e He) sono fortemente rarefatti (ricorda che la composizione cambia rispetto a quella dell omosfera). La temperatura cresce nuovamente da 80 C fino ad oltre 1000 C. In questo strato si osservano le aurore polari. Lo strato termina a circa 500 Km di quota con la termopausa. Strato n 5 = esosfera La sua composizione è costituita prevalentemente da ossigeno atomico (O), oltre che da elio ed idrogeno. La temperatura arriva a circa 2000 C. 3. Radiazione solare l energia solare è costituita da un insieme di onde elettromagnetiche, aventi diversa lunghezza d onda che viaggiano tutte alla velocità di circa Km al secondo (velocità della luce). Per percorrere la distanza sole-terra i raggi solari impiegano circa 9 minuti. La radiazione solare è costituita da raggi luminosi visibili(*) (41% dell energia), raggi infrarossi (50% energia) e raggi X, raggi γ e raggi ultravioletti (che complessivamente rappresentano il 9% dell energia). 2

3 Immagine modificata da La maggior parte dei raggi X, dei raggi γ e dei raggi ultravioletti viene assorbita dagli strati alti dell atmosfera (vedi ionosfera). Le onde più corte della radiazione visibile (cioè quelle corrispondenti al colore blu) vengono diffuse, cioè fatte rimbalzare in tutte le direzioni, dalle molecole di gas e dal pulviscolo atmosferico presenti negli strati più bassi dell atmosfera. È per questo motivo che il cielo ci appare di colore blu. Una parte consistente dei raggi infrarossi è infine assorbita da anidride carbonica e vapore acqueo. Quindi, in seguito a questi fenomeni di assorbimento, solo una parte (circa il 70-90% ) dell energia solare giunge sulla superficie terrestre. Un altra parte dell energia che comunque riesce a raggiungere la terra (circa il 30%) viene riflessa dalle nubi e da superfici con forte potere riflettente (acqua, ghiaccio). (*) cioè quello che i nostri occhi percepiscono come luce bianca e che in realtà è composta da tutti i colori dell arcobaleno, come puoi facilmente verificare quando i raggi del sole attraversano un solido sfaccettato di vetro. 4. Effetto serra Parte dell energia solare è riflessa dalla superficie terrestre sotto forma di raggi infrarossi. Tuttavia il vapore acqueo e la CO 2 presenti nella bassa atmosfera riflettono i raggi infrarossi. Quindi i raggi infrarossi rimbalzano e tornano sulla terra, riscaldandola. L effetto serra naturale è bilanciato dal fatto che le calotte polari perdono più calore di quanto ne ricevano. Quindi la terra non si riscalda a causa dell effetto serra naturale. Tuttavia l uomo, bruciando combustibili fossili (carbone, gas naturale, derivati del petrolio ), aumenta la quantità di CO 2 e vapore acqueo nell atmosfera incrementando così l effetto serra. Quindi la terra si riscalda a causa dell aumento dell effetto serra provocato dall uomo. 5. Pressione atmosferica L aria è costituita da materia. Essa ha una massa e, pertanto esercita una forza peso e quindi una pressione. La pressione atmosferica a livello del mare è pari circa a un Kg per centimetro quadrato. Questa pressione a livello del mare, misurata a 0 C, è definita 1 atm (una atmosfera). L unità di misura più utilizzata per le previsioni meteorologiche è il millibar 1 atm = 1013 millibar. Nel corso di fisica hai studiato che la pressione è data dal rapporto tra forza che agisce perpendicolarmente ad una superficie ed area della superficie stessa P = F/A. Nel sistema internazionale l'unità di misura della pressione è N/m 2, cioè Pascal (Pa). La pressione atmosferica a livello del mare è N/m 2 (Pa). Definendo 1 hpa (ettopascal) = 100 Pa. Ne consegue che la pressione atmosferica a livello del mare è 1013 hpa. Quindi, facendo delle equivalenze: 1 atm = Pa = 1013 hpa = 1013 millibar quindi ettopascal e Millibar sono la stessa cosa 1hPa = 1 mbar Lo strumento di misura della pressione è il barometro. La densità dell aria, e quindi la pressione, diminuisce con la quota. Quindi, se mi reco in alta montagna, lo strato di aria sopra la mia testa è meno spesso e quindi la pressione è più bassa. Viceversa, se vado in una depressione, la cui quota è inferiore al livello del mare, lo strato d'aria sopra di me ha uno spessore maggiore e la pressione è più alta. La pressione atmosferica in un determinato luogo dipende dalle condizioni meteorologiche: L aria fredda è più densa (pesante) alta pressione ; l aria calda è meno densa (più leggera) bassa 3

4 pressione; L aria secca è più densa (pesante) alta pressione ; l aria umida è meno densa (più leggera) bassa pressione. La molecola dell'acqua (vapore acqueo) è più leggera delle molecole di azoto e di ossigeno, per cui l'aria che in proporzione è più ricca di acqua (aria umida) è più leggera dell'aria secca. Quando guardi le previsioni del tempo in TV puoi osservare delle cartine con delle linee chiuse di forma approssimativamente circolare. Queste linee, chiamate isobare, rappresentano insiemi di punti aventi uguale pressione atmosferica. Se tra due zone esiste una differenza di pressione, l aria si muove dalla zona di alta pressione alla zona di bassa pressione. Se tra due punti A e B, posti alla distanza d, esiste una differenza di pressione può essere definita una grandezza, chiamata gradiente barico uguale alla differenza di pressione tra A e B, divisa per d. Se ci pensi, è logico che la forza che genera il movimento delle masse di aria aumenti con la differenza di pressione tra due zone e diminuisca con la loro distanza. Infatti la forza che produce il movimento delle masse d aria, chiamata forza di gradiente, è proporzionale al gradiente barico. A d B Se la pressione nel punto A è maggiore della pressione nel punto B l aria si muoverà da A verso B (vedi la freccia) Gradiente Barico = (Pressione A Pressione B) : d Maggiore è il gradiente barico più intensa è la forza che sposta una massa d aria da A a B 6. vento Il vento è il movimento (in genere orizzontale) delle masse d aria causato dal gradiente barico. La velocità del vento è proporzionale al gradiente barico. Se una massa d aria si muove verso l alto non si parla propriamente di vento ma di corrente ascendente, se si muove verso il basso si parla di corrente discendente. A Fig La figura 1 rappresenta 3 isobare. L isobara più interna comprende punti che si trovano a pressione più alta (1020 millibar) mentre l isobara più esterna rappresenta punti che si trovano a pressione più bassa (1000 millibar). Una zona di alta pressione come quella rappresentata in fig. 1 prende il nome di anticiclone. La forza di gradiente dovrebbe generare un vento perpendicolare alle isobare (vento di gradiente) come in figura 2. 4

5 A Vento di gradiente Fig In realtà, per effetto della forza di Coriolis (che ormai dovresti conoscere bene) la direzione del vento non è perpendicolare alle isobare ma subisce una deviazione verso destra nell emisfero boreale ( e verso sinistra nell emisfero australe). Supponendo che le figure del nostro esempio rappresentino un area anticiclonica situata sull emisfero boreale, la situazione reale potrebbe essere quella descritta in fig. 3. A Direzione del vento deviata dalla forza di Coriolis Fig. 3 Deviazioni marcate come quella rappresentata in figura, in cui la direzione del vento risulta praticamente parallela alle isobare, non si riscontrano nei primi metri di quota. Infatti l attrito dell aria con la superficie terrestre riduce l effetto della forza di Coriolis, con il risultato che i venti si muovono generalmente formando angoli di con le isobare. Una zona di bassa pressione, come quella rappresentata in figura 4 viene definita ciclone. Area Ciclonica 5

6 B Fig. 4 Ad alte quote, in assenza di attrito, è facile prevedere la direzione dei venti, infatti: nell emisfero boreale i venti soffiano in senso antiorario attorno ad un ciclone ed in senso orario attorno ad un anticiclone nell emisfero australe i venti soffiano in senso orario attorno ad un ciclone ed in senso antiorario attorno ad un anticiclone (Per memorizzare facilmente questo dato ricordati di partire dall emisfero Sud : antiorario anti- ciclone, Orario ciclone) Ricordati che, in ogni caso, negli anticicloni il movimento dell aria è divergente (cioè il vento spira dall interno dell anticiclone verso l esterno) mentre nei cicloni il movimento è convergente (cioè il vento spira dall esterno del ciclone verso l interno). celle convettive Osservando lateralmente il movimento delle masse d aria (Fig. 5) si comprende il meccanismo fondamentale da cui esso viene generato. Consideriamo due punti X e Y al suolo. A causa di un improvviso riscaldamento in X, l aria diventa meno densa e quindi sale verso l alto (freccia 1). Lo spostamento di aria calda determina una zona di bassa pressione (ciclone) in X. Contemporaneamente, sul punto X1 situato in quota sulla verticale di X, l arrivo di aria dal basso genera un alta pressione. L aria si muove da X1 a Y1 in seguito al gradiente barico (freccia2). A questo punto l aria, arrivata in Y1 discende verso il basso con un moto di subsidenza (freccia 3), provocando su Y un aumento di pressione. Al suolo si avrà quindi movimento di aria (freccia 4) da Y (zona di alta pressione relativa ) a X (zona di bassa pressione relativa). Questo circuito chiuso prende il nome di cella convettiva. 6

7 1 X1(alta P) Y1(bassa P) quota X (bassa P) Y (alta P) suolo Fig. 5 Il meccanismo descritto nella Fig. 5 è quello tramite il quale si generano, ad esempio la brezza di mare e quella di terra. brezze Le brezze sono venti locali dovuti al diverso riscaldamento diurno e notturno di terra e mare. Di giorno la terra si riscalda di più rispetto al mare. Sulla terra, per convezione, l aria più calda sale (vedi freccia 1 di Fig. 5) e genera una locale bassa pressione, richiamando correnti di aria fresca dal mare (vedi freccia 4 di fig. 5). Il meccanismo è lo stesso di quello raffigurato in Fig. 5: si genera una cella convettiva in cui al suolo il vento spira dal mare alla terra (brezza di mare), mentre in quota le masse d aria si muovono in direzione opposta, chiudendo il ciclo. Di notte, la situazione si capovolge per il fatto che il mare cede più lentamente il calore accumulato durante il giorno mentre la terra si raffredda più rapidamente. Nelle ore notturne si avrà pertanto la brezza di terra. monsoni Questo meccanismo spiega bene anche come si formano i monsoni, venti periodici generati dalle differenze di pressione che si producono sul continente asiatico. In estate si verifica il forte riscaldamento dell altopiano del Tibet. Quindi a livello di questo altopiano si forma una zona di bassa pressione (ciclonica). La bassa pressione richiama aria umida dall oceano Pacifico e dall oceano Indiano. Quest aria umida proveniente dal mare porta intense precipitazioni sul continente asiatico (monsoni estivi). D inverno, al contrario, sopra l altopiano tibetano c è una zona di alta pressione, per cui i monsoni invernali spirano da Nord Est, portando tempo sereno ed asciutto. La direzione del vento (attenzione, per definizione si intende sempre la direzione di provenienza) è determinata con un semplice strumento chiamato anemoscopio (esempi di anemoscopio sono le banderuole e le maniche a vento). La velocità del vento è misurata con uno strumento chiamato anemometro, dotato di un sistema di eliche (o palette) che ruotano tanto più velocemente quanto più è veloce il vento. L unità di misura della velocità è il nodo. Un nodo corrisponde a circa 1,85 Km/h. Venti del mediterraneo (la rosa dei venti) 7

8 tramontana maestrale N grecale Ponente (zefiro - espero) O E Levante (apeliote) libeccio S Mezzogiorno (ostro) scirocco Il Föhn È un cosiddetto vento catabatico. L aria proveniente dall Europa del nord si raffredda, risalendo il versante settentrionale delle alpi e si espande. Infatti, con la quota la pressione atmosferica diminuisce e, man mano che risale la montagna, l aria incontra pressioni (e temperature) sempre più basse. Espandendosi e raffreddandosi l aria va incontro al fenomeno della condensazione. Il vapore acqueo contenuto nell aria condensandosi, forma nubi e origina piogge. Quindi l umidità dell aria si scarica sottoforma di pioggia sul versante settentrionale. L aria che, oltrepassando le Alpi, scende lungo il versante meridionale ha perso gran parte dell umidità. Quando scende, l aria più secca trova pressioni e temperature più elevate. L aria quindi si comprime e si riscalda. In questo modo si origina un tipico vento caldo e secco (Föhn) che, talvolta, soffia sulla valle in cui vivi in quanto essa è situata proprio sotto il versante meridionale delle Alpi. 7. Circolazione generale dell atmosfera. Sulla terra, dall equatore ai poli, esistono delle fasce ben definite di basse ed alte pressioni che generano dei venti costanti. Fascia equatoriale : bassa pressione (zona ciclonica) convergenza di aria 2 fasce tropicali ( circa 30 latitudine N e S) : alta pressione 2 fasce subpolari( circa 60 latitudine N e S) : bassa pressione 2 fasce polari : alta pressione è pertanto possibile, sulla base dei dati riportati, tracciare uno schema ideale in cui raffigurare la circolazione globale dell atmosfera dovuta all alternanza di zone ad alta pressione e a bassa pressione. Naturalmente i venti spirano dalle fasce di alta pressione verso le zone a bassa pressione. La forza di Coriolis devia i venti verso destra nell emisfero boreale e verso sinistra nell emisfero australe. Il risultato è che, ad esempio, gli Alisei (venti costanti che spirano nella zona tra i due tropici) soffiano da Nord Est nell emisfero boreale e da Sud Est nell emisfero australe. 8

9 N O E S 1 La frecce rosse indicano la direzione che gli alisei avrebbero (dalle fasce tropicali di alta p alla fascia equatoriale di bassa p) se non fossero deviati dalla forza di coriolis. Le frecce nere indicano la direzione reale (in seguito alla deviazione). Lo schema riportato è ideale. In realtà esso non tiene conto dell effetto che ha la distribuzione dei mari e delle terre emerse sui movimenti dell aria. Nell emisfero settentrionale, la presenza di grandi continenti modifica radicalmente questo schema. In inverno i continenti si raffreddano di più rispetto al mare. Quindi sopra i continenti dell emisfero settentrionale, in inverno, si avranno zone di alta pressione e nei mari si avranno zone di bassa pressione. In estate la situazione si presenterà invertita, e le zone di alta pressione saranno situate sui mari: avrai sicuramente sentito parlare dell anticiclone delle Azzorre, una zona di alta pressione che d estate porta bel tempo anche sulla penisola italiana. L anticiclone delle Azzorre si origina d estate sull Oceano Atlantico. 8. fenomeni meteorologici 8.1. glossario umidità assoluta 1 9

10 Per umidità assoluta si intende la quantità di vapore acqueo presente nell atmosfera. Essa si misura come grammi di vapore acqueo contenuti in un metro cubo d aria. Un certo volume d aria può contenere una quantità massima di vapore acqueo (punto di saturazione) che dipende dalla temperatura: se la temperatura è più elevata l aria può contenere una quantità maggiore di vapore acqueo. Ecco perché dall aria calda si possono avere precipitazioni più intense. Quindi il punto di saturazione aumenta con la temperatura. Quando si raggiunge il punto di saturazione, si dice che l aria è satura di vapore. Se l aria satura si raffredda, il vapore acqueo condensa (vedi punto di rugiada e par. 8.2: condensazione) e precipita in forma di pioggia, neve o grandine. Umidità relativa Per umidità relativa (grandezza più importante)si intende la quantità di vapore acqueo effettivamente contenuta in un metro cubo d aria, rispetto alla quantità massima che potrebbe esservi contenuta a quella temperatura. Ad esempio, dire umidità relativa del 50% significa che l aria contiene metà del vapore che conterrebbe se fosse satura. Punto di rugiada Il punto di rugiada è la temperatura critica al di sotto della quale l aria è satura e si ha la condensazione, cioè la trasformazione da vapore acqueo ad acqua liquida. Igrometro È lo strumento con cui si misura l umidità relativa condensazione. Le precipitazioni atmosferiche si verificano quando l aria subisce un raffreddamento che abbassi la temperatura al di sotto del punto di rugiada. Quando ciò avviene, il vapore acqueo va incontro a condensazione. Quando una massa d aria sale di quota è soggetta ad un abbassamento di temperatura. Salendo l aria si espande (perché a quote più elevate la pressione diminuisce) e quindi le molecole di gas si allontanano l una dall altra. Gli urti tra le molecole di gas diminuiscono. La temperatura dipende dalla frequenza di questi urti e, quindi, se tale frequenza diminuisce, diminuisce anche la temperatura. Il processo di condensazione è facilitato dalla presenza di granelli di polvere (nuclei di condensazione) nubi Le nubi sono formate da piccolissime gocce d acqua (diametro 0,02 mm 0,06 mm) o da microscopici cristalli di ghiaccio, che si formano quando la temperatura è molto inferiore a 0 C (punto di congelamento). Le nubi sono chiare se sono sottili o illuminate dal sole mentre, se sono spesse, la parte non illuminata appare scura. In base alla loro forma, le nubi si classificano in due grandi categorie: a. nubi stratiformi: sono sottili e si estendono in orizzontale. Per fare un esempio gastronomico, puoi immaginare la forma di una tipica nube stratiforme come un immensa omelette piatta (o ancora meglio, una crepe prima di essere ripiegata). b. Nubi cumuliformi: hanno un estensione verticale più pronunciata rispetto alle dimensioni orizzontali. Per rimanere nell ambito di esempi gastronomici, una nube cumuliforme può essere immaginata come una montagna di gelato precipitazioni. Le precipitazioni si verificano quando le masse d aria si innalzano e si raffreddano al di sotto del punto di rugiada.. L innalzamento ed il successivo raffreddamento possono avvenire per varie cause, ecco alcuni esempi: a. una massa d aria in movimento risale il versante di una montagna (vedi fohn); 10

11 b. una massa d aria calda risale per convezione; c. un fronte d aria calda (meno densa) si scontra con un fronte freddo (più denso) e tende a risalirlo come se questo fosse una vera e propria montagna solida. Pioggia La pioggia si forma quando le minuscole gocce d acqua che formano le nubi si riuniscono, aumentando le proprie dimensioni e diventando troppo pesanti per rimanere in sospensione Neve La neve si forma quando, a temperature inferiori a 0 C, dal vapore acqueo si formano direttamente cristalli di ghiaccio solidi Grandine La grandine è formata da chicchi di ghiaccio che hanno una struttura stratificata (a cipolla). Le gocce d acqua sono portate in quota da forti correnti ascensionali e congelano, quando tornano a quote più basse scongelano in superficie e, successivamente vengono riportate in alto congelando nuovamente. In questo modo si forma la tipica struttura a strati. Dopo un certo numero di cicli di salita e discesa i chicchi diventano troppo grandi e pesanti per restar in sospensione e quindi precipitano altri fenomeni Nebbia: si forma quando il raffreddamento fa condensare il vapore acqueo in piccole gocce che restano sospese. Smog: si forma come la nebbia ma all acqua sono associate particelle in sospensione che derivano dall inquinamento industriale. Rugiada: la condensazione del vapore acqueo avviene al suolo; Brina: se la temperatura del suolo è inferiore a 0 C anziché condensare, il vapore acqueo sublima, cioè passa direttamente allo stato solido sottoforma di minuti cristalli di ghiaccio. 11