La sottile striscia di aria che circonda la Terra (ha uno spessore di circa 1.000 Km ma la sua fascia superiore estremamente rarefatta si estende fino a 30.000 Km di altezza. è la fonte di vita del pianeta stesso. Forse non si riflette a sufficienza sul fatto che si potrebbe sopravvivere senza cibo o senza acqua, ma non senza l'aria. Inoltre senza l'atmosfera non esisterebbero ne i mari ne gli oceani e nemmeno i laghi. La Terra usa come motore l'energia del Sole, ma solamente una piccolissima porzione di questa energia viene intercettata dal nostro pianeta.

L'atmosfera si divide classicamente in regioni determinate dal cambiamento locale della temperatura e della pressione atmosferica con l'aumentare della quota.

Queste regioni sono:

la troposfera, la stratosfera, la mesosfera e la termosfera.

La troposfera è lo strato dell’atmosfera terrestre a diretto contatto con il pianeta ed caratterizzato dalla maggior densità dell’aria e dalla sua temperatura che diminuisce verticalmente in media di 6°C per chilometro. L’altezza della troposfera è variabile e va da un minimo di circa 8 chilometri in corrispondenza dei poli ad un massimo di circa 18 chilometri in corrispondenza dell’equatore. La sua altezza varia anche stagionalmente essendo maggiore nei mesi estivi e minore in quelli invernali.

La troposfera ospita l'80% della massa d'aria  ed il 99% del vapore acqueo contenuto nell’atmosfera terrestre. La temperatura decresce con l’aumentare della quota, in quanto è il suolo la fonte indiretta del calore solare, e raggiunge il suo minimo in prossimità della tropopausa (circa -70°C). La concentrazione di vapore acqueo oltre che diminuire con l’aumentare della quota varia anche con la latitudine e sarà massima all’equatore, dove può superare il 3%, e diminuisce andando verso le regioni polari dove sarà minima.

Tutti i fenomeni atmosferici avvengono all’interno della troposfera, tuttavia le turbolenze possono estendersi fino alla porzione inferiore della stratosfera.

La tropopausa è un sottile strato a temperatura costante (circa -55°C) che separa la troposfera dalla stratosfera.

La stratosfera si estende, partendo da una quota base variabile in base alla latitudine, a circa 50 chilometri di altitudine. La stratosfera è una sorta di barriera alla penetrazione dei moti verticali della troposfera anche se alcuni rimescolamenti sono possibili in certe regioni delle medie latitudini nei mesi primaverili ed invernali. Questi scambi modificano la posizione dei Jet Stream, le correnti in cui le velocità superano i 100 nodi.

Nella stratosfera la temperatura dell’aria rimane relativamente costante fino ad un’altitudine di 25 chilometri, quindi aumenta gradualmente fino a raggiungere il valore di circa 0°C. La regolazione termica della stratosfera, visto che il vapore acqueo presente scarso, è gestita da uno strato di ozono localizzato ad un’altitudine compresa fra i 20 ed i 30 chilometri. Le molecole di ozono assorbono le radiazioni ultraviolette, aventi una lunghezza d’onda compresa fra 290 nm e 320 nm  dannose per la vita perché possono essere assorbite dagli acidi nucleici nelle cellule, convertendole in energia cinetica che provoca il riscaldamento della stratosfera.

Approssimativamente è stato stimato che il 90% dell’ozono presente in atmosfera si trova nella stratosfera in cui la concentrazione è di circa 10 parti per milione in volume.

La mesosfera si estende approssimativamente dai 50 ai circa 80 chilometri di altitudine ed è caratterizzata dalla graduale diminuzione della temperatura che raggiunge il suo minimo (circa190°K pari a -83°C) all’altitudine di 80 chilometri grazie alle trascurabili concentrazioni di ozono e di vapore acqueo. Con l’aumentare della distanza dalla superficie della Terra la composizione chimica dell’aria diventa fortemente dipendente dall’altitudine e l’atmosfera si arricchisce di gas leggeri. A grandi altitudini i gas residui cominciano a stratificarsi in base alla loro massa molecolare sotto l’azione della forza gravitazionale.

La mesopausa è uno strato di transizione fra la mesosfera e la termosfera.

La termosfera si estende approssimativamente dagli 80 chilometri ed è caratterizzata da un graduale aumento della temperatura, che raggiunge i 1200°C, dovuto all’assorbimento della intensa radiazione solare da parte delle molecole di ossigeno che assieme all’azoto, ad un’altitudine di 100-200 chilometri, è ancora il principale componente.

La termosfera assieme alla porzione più esterna della mesosfera costituiscono la ionosfera una zona in cui i gas sono allo stato di ioni (particelle con carica elettrica per aver perso o acquistato elettroni). Queste particelle ionizzate sono molto importanti per le telecomunicazioni in quanto hanno la capacità di riflettere al suolo le onde radio provenienti dalla Terra in una direzione diversa da quella di provenienza. La termosfera è anche sede del fenomeno delle aurore polari.

L’esosfera è la regione più distante dalla superficie della Terra e la zona di transizione tra l’atmosfera terrestre e lo spazio interplanetario. La termosfera e l’esosfera insieme costituiscono l’alta atmosfera che contiene anche la magnetosfera che sul lato illuminato della Terra raggiunge un’altezza di circa 64 chilometri. La magnetosfera contiene le fasce di Van Allen che si interrompono in corrispondenza delle zone polari. La magnetosfera intercetta e devia le radiazioni ionizzanti altrimenti dannose per gli esseri viventi. La temperatura media dell’esosfera è di circa 700°C anche se l’escursione termica fra il periodo in cui si ha il minimo irraggiamento solare (circa 300°C) e quello in cui si ha il maggior irraggiamento solare (circa 1700°C) è molto alta.

Vi è anche un altro modo di classificare l'atmosfera terrestre sulla base della sua composizione. Si parla allora di:

Omosfera, uno strato ben rimescolato dove la composizione dell'aria in termini percentuali rimane pressochè costante a causa dei rimescolamenti turbolenti;

Eterosfera, dove predomina la diffusione a causa della densità molto bassa, per cui gli atomi più pesanti stanno in basso e quelli più leggeri in alto;

Ionosfera dove prevale la concentrazione di ioni ed elettroni liberi.

L’atmosfera terrestre è composta quasi interamente da ossigeno e azoto nella loro forma biatomica (due atomi uniti insieme da forze chimiche).

L’azoto biatomico rappresenta approssimativamente il 78,08% delle molecole totali dell’atmosfera terrestre, l’ossigeno biatomico rappresenta circa il 20,95%. La composizione dell'atmosfera, in termini percentuali di volume, è espressa nella tabella 1.

Tabella 1. Composizione chimica dell'atmosfera terrestre.

In realtà, l'aria nella parte più vicina alla superficie terrestre (10-15 Km), non è secca e contiene altre sostanze, secondo la tabella 2.

Tabella 2. Composizione della Troposfera.

Il 99% dell'atmosfera terrestre si trova entro i primi 30 Km dalla superficie, ci protegge dalle radiazioni ultraviolette, dall'impatto delle particelle ad alta energia provenienti dallo spazio e da escursioni termiche che potrebbero rendere impossibile qualsiasi condizionen ambientale. 

L'ossigeno (O2) è necessario per la respirazione degli esseri viventi e consente lo svolgersi di molte delle reazioni chimiche.

Il vapore acqueo, attraverso i processi di cambiamento (condensazione ed evaporazione) rilascia grandi quantità di energia che sono la sorgente primaria di alcuni processi atmosferici (ad esempio gli uragani). Il vapore acqueo inoltre è un gas serra in grado di trattenere la radiazione infrarossa emessa dalla Terra (effetto serra)

L'anidride carbonica (CO2) ha due funzioni importanti la prima delle quali è la fotosintesi clorofilliana delle piante che la utilizzano assieme all'acqua per ricavarne energia e ossigeno respirabile. La seconda è legata all' effetto serra che rende vivibile il nostro pianeta riflettendo parte dell’irraggiamento solare e trattenendo parte del calore che altrimenti sarebbe ceduto dalla crosta terrestre nello libero spazio (effetto serra). Se così non fosse infatti le temperature durante la notte sarebbero di molti gradi sotto lo zero (anche - 20°C) e di giorno sarebbero al contrario molto alte. Le principali sorgenti sono legate al consumo dei combustibili fossili, alle eruzioni vulcaniche, ai processi di decomposizione. Gli oceani sono un enorme serbatoio di anidride carbonica e trattengono circa 50 volte l'anidride carbonica contenuta nell'atmosfera. E' noto il processo di crescita delle concentrazioni di anidride carbonica a partire dall'era industriale, quando la concentrazione era di 280 ppm, sino ad oggi, che è circa 370 ppm e si ritiene supererà i 550 ppm entro la fine del secolo. Questo comporterà un aumento delle temperature fra 1 e 3,5°C a scala globale che porterà ad un ulteriore tendenza del clima a estremizzarsi con alluvioni in certe aree e siccità in altre, con la crescita del numero e dell'intensità dei cicloni e delle tempeste, con l'aumento del livello complessivo dei mari e degli oceani (circa 0,6-1 metro in più nei prossimi sessant'anni).

i sono altri gas in grado di accrescere l'effetto serra. Il metano, gli ossidi nitrosi ed i clorofluorocarburi (CFC). Il metano cresce dello 0,5% l'anno ed ha origini organiche. Gli ossidi nitrosi dipendono dalle produzioni industriali, ma anche dall'attività di certi microbi nei suoli. Infine i CFC, che dovrebbero essere stati banditi a livello di produzione ed erano usati come solventi per la pulizia dei microcircuiti (lo sono tutt'ora in certi paesi), hanno un ruolo nella distruzione della fascia di ozono stratosferico che protegge la Terra dai raggi ultravioletti.

L'Ozonosfera è uno strato dell'atmosfera terrestre compreso tra i 20 e i 50 km di quota, caratterizzato da una concentrazione di ozono relativamente alta, che può raggiungere le 10 ppm (parti per milione). A queste quote, l'ozono si forma naturalmente per effetto dell'interazione delle molecole di ossigeno presenti nell'atmosfera con le radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole. La concentrazione naturale di ozono rimane pressoché costante grazie all’equilibrio tra il processo di produzione e quello di distruzione operato da alcuni composti dell'azoto, anch’essi presenti in atmosfera. L’assorbimento della radiazione ultravioletta nell’ozonosfera produce un’inversione nell’andamento della temperatura in funzione della quota: mentre nella troposfera la temperatura diminuisce al crescere della quota, nell’ambito dell’ozonosfera essa aumenta al crescere della distanza dalla superficie terrestre.

A livello della stratosfera, lo strato di ozono crea una sorta di schermo protettivo che assorbe le dannose radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole, consentendo la vita sulla Terra. Questo tipo di radiazioni, infatti, altamente energetiche e penetranti, possono alterare e danneggiare il DNA degli esseri viventi. Nella troposfera, invece, la formazione dell’ozono è correlata soprattutto alle emissioni inquinanti degli autoveicoli e delle industrie, che rilasciano nell’aria anidride solforosa (SO₂), ossidi di azoto (NO_x) e composti organici volatili. Questo ozono ha un notevole potere ossidante e risulta nocivo per la salute degli organismi, uomo compreso.

Il buco nell'ozono

Negli anni Settanta del Novecento alcuni ricercatori rilevarono che il naturale assottigliamento stagionale dello strato di ozono, che periodicamente si osserva al di sopra del continente antartico nei mesi di settembre e ottobre (la cosiddetta “primavera australe”), stava assumendo dimensioni allarmanti. Il fenomeno, chiamato deplezione ma comunemente noto come “buco nell'ozono”, avviene naturalmente e ha un’origine ancora non chiara, e può perdurare anche per parecchi mesi; tuttavia, nel 1985, i rilevamenti compiuti dalla stazione scientifica inglese Antarctica Survey evidenziarono una diminuzione del 65% della concentrazione dell'ozono, localizzata per il 95% negli strati atmosferici compresi tra 13 e 22 km di distanza dalla superficie del pianeta. L'estensione e la durata di questa variazione stanno assumendo dimensioni sempre più ampie, come hanno confermato i rilevamenti eseguiti con palloni aerostatici e satelliti meteorologici; la concentrazione complessiva dell'ozono nell'ozonosfera è in costante diminuzione e non solo al di sopra del continente antartico, ma anche in corrispondenza delle regioni artiche.

Quali responsabili dell’alterazione della molecola dell’ozono sono stati ritenuti i clorofluorocarburi o CFC (ampiamente impiegati come propellenti nelle bombolette spray, come fluidi refrigeranti nei frigoriferi e come agenti schiumogeni) e un gruppo di altre sostanze chiamate genericamente ODS (Ozone-Depleting Substances). Tra queste vi sono: gli HCFC (idroclorofluorocarburi); i cosiddetti halons (composti estinguenti come il bromoclorodifluorometano, bromotrifluorometano, dibromotetrafluoroetano); il metilbromuro; il tetracloruro di carbonio; il metilcloroformio. Queste molecole complesse sono in grado di raggiungere l'ozonosfera e di decomporre le molecole di ozono. Sotto l'azione dei raggi ultravioletti, infatti, le molecole dei CFC si decompongono in atomi di cloro e in altri derivati clorurati, che, a loro volta, reagiscono con l'ozono e lo convertono in ossigeno biatomico, liberando monossido di cloro che va a degradare altre molecole di ozono. Gli ODS sono molto stabili nella troposfera e si degradano solo per effetto degli intensi UV della stratosfera.

La necessità di affrontare il fenomeno considerandone tutti gli aspetti e le ripercussioni su scala globale ha spinto i rappresentanti delle comunità scientifica, politica ed economica a confrontarsi in periodici incontri, che hanno l’obiettivo di stabilire strategie comuni di intervento. Il primo incontro riguardante il buco nell’ozono fu la Conferenza di Vienna, tenutasi nel 1985. Nel 1987 il Protocollo di Montréal segnò la messa al bando dei CFC; la persistenza di questi composti in atmosfera, d’altra parte, fa sì che eventuali effetti positivi dei provvedimenti in favore dell’atmosfera si manifestino dopo numerosi anni.

Per monitorare costantemente il fenomeno del buco nell’ozono, nel 1991 la NASA lanciò in orbita un satellite artificiale di 7 tonnellate di peso (l'Upper Atmosphere Research Satellite, satellite per la ricerca sull'alta atmosfera). Da una quota di 600 km, il satellite continua a inviare a terra dati sulle variazioni della concentrazione di ozono ad altitudini differenti, oltre ad altri dati che hanno consentito di tracciare una mappa completa della composizione chimica degli strati più alti dell'atmosfera. La riduzione dello strato di ozono viene osservata ogni anno nel periodo compreso tra settembre e ottobre. Un preoccupante fenomeno è stato registrato nel settembre 2002: il buco antartico si è suddiviso in due parti, assumendo una forma “a otto”, ciascuna delle quali si è estesa allontanandosi dalla zona occupata originariamente. L’anomalia è stata osservata per la prima volta da quando è iniziato il monitoraggio della deplezione dell’ozono, e sembra causata dalle intense perturbazioni dell’atmosfera verificatesi nei mesi precedenti. Solo qualche mese prima, le rilevazioni del CSIRO australiano (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) avevano indicato che il buco si era ristretto, probabilmente a seguito di un periodo prolungato di temperature atmosferiche insolitamente elevate.

Bilancio energetico fra la Terra e l'atmosfera

Il bilancio energetico fra la terra e l'atmosfera è l'equilibrio tra l'energia irraggiata dal Sole e l'energia in partenza dalla Terra. Parte dell'energia rilasciata dal Sole prima di raggiungere la Terra viene riflessa nello spazio dalle nubi e parte è assorbita dall'atmosfera terrestre.

Bilancio energetico fra la Terra e l'atmosfera

La Terra mantiene la sua temperatura pressochè costante perchè l'energia assorbita (infrarossi) viene rilasciata totalmente nell'atmosfera sotto forma di calore e tenderebbe a fuggire nello spazio se non fosse trattenuta dall'atmosfera stessa (effetto serra). L'effetto serra raggiunge il massimo durante le notti con cielo coperto quando le nuvole riducono la dispersione del calore proveniente dalla terra. Al contrario nelle notti serene e con basso tasso di umidità una quantità più elevata di calore viene disperso negli alti strati dell'atmosfera e di conseguenza la temperatura al suolo diminuisce in maniera considerevole.

La Terra riceve una quantità di energia alla cima dell'atmosfera pari a 1.367 W/m² e questo valore è la cosiddetta costante solare. La luce solare è dispersa dalle molecole d'aria e dalle polveri presenti nell'atmosfera. La luce che arriva al suolo è poi in parte riflessa a seconda del tipo di superficie. La percentuale di luce riflessa rispetto a quella incidente è detta albedo. Superfici innevate hanno un albedo del 70-90%, mentre l'acqua ha un albedo del 10%. Complessivamente la Terra e l'atmosfera riflettono circa il 30% della radiazione solare ricevuta.

La Terra restituisce la stessa quantità di energia ricevuta dal Sole come specificato nella figura precedente.

Il bilancio energetico  è estremamente delicato ed incide in maniera fondamentale nei processi atmosferici. Naturalmente vi sono poi delle caratteristiche di natura astronomica. La Terra compie un'orbita ellittica intorno al Sole ed inoltre è inclinata rispetto all'orbita che compie. Ciò fa si che l'emisfero settentrionale sia inclinato verso il Sole in estate e viceversa. Se non ci fosse questa inclinazione le giornate sarebbero sempre composte da dodici ore di luce e dodici ore di buio. Al di sopra del 66° parallelo il Sole rimane visibile per ventiquattro ore dal 20 marzo al 20 settembre, anche se, a così alte latitudini, rimane molto basso sull'orizzonte e poca radiazione riesce ad arrivare per riscaldare la superficie.

L'esistenza delle stagioni è dunque di natura astronomica. Gli estremi sono nei mesi di giugno e di dicembre dal punto di vista astronomico, quando abbiamo rispettivamente le giornate più lunghe e quelle più corte. Tuttavia giugno non è il mese più caldo e dicembre non è quello più freddo. Questo è dovuto proprio alla natura del bilancio energetico. Quando l'energia che arriva dal Sole è massima, essa eccede quella che viene riemessa dalla Terra. Il momento più caldo è quando questo bilancio si pareggia, e quindi un pò più tardi, nei mesi di luglio e di agosto.

Analogamente in inverno, per lo stesso effetto di ritardo, nei mesi di gennaio e di febbraio. Ad alte latitudini l'energia persa nello spazio è maggiore di quella ricevuta dal Sole, mentre questo bilancio si inverte all'equatore. A 37° di latitudine il bilancio è in pareggio.

Nell'emisfero meridionale valgono considerazioni analoghe, ma per l'inclinazione dell'asse terrestre l'emisfero sud ha il 7% in più di energia solare nel mese di gennaio. Le estati australi dovrebbero quindi risultare più calde.  Tuttavia la differenza dipende dalla quantità di terre emerse, che è maggiore nell'emisfero settentrionale. Infatti l'81% dell'emisfero sud è coperto da acque, contro il 61% dell'emisfero nord. La maggiore capacità termica dell'acqua rispetto alla terra gioca un ruolo fondamentale nella termoregolazione dell'emisfero sud, al punto che le estati sono persino più fredde, anche se di poco, di quelle dell'emisfero nord.