L’atmosfera adesso viene distinta in strati, nel passaggio da uno strato all’altro osserviamo una inversione termica. Nell’inversione termica la temperatura cambia di direzione, se ad esempio nella troposfera ascendendo la temperatura cala, quando oltrepassi una certa quota la temperatura riprende a salire e ti trovi nello strato successivo della stratosfera, gli strati dell’atmosfera sono semplicisticamente la troposfera interna e la stratosfera esterna.
La troposfera
Il primo strato dell’atmosfera è la troposfera, è lo strato della vita.
Spessore variabile ai poli solo 8 km all’equatore raggiunge i 16-20 km.
Contiene i tre quarti dell’intera massa gassosa e quasi tutto il vapore acqueo dell’atmosfera.
La composizione della troposfera
| ELEMENTI dell’ ATMOSFERA AL SUOLO | % | EFFETTO SERRA % | |
| azoto N2 | 78 | ||
| ossigeno O2 | 21 | ||
| argon | 0,934 | ||
| vapore acqueo | 0,330 | 70 | |
| anidride carbonica | 0,032 | 12,5 | |
| metano | 0,0002 | 12,5 | |
| ozono | 0,000004 | ||
| ossidi, monossido, diossido, protossido di azoto | 2,5 | ||
| clorofluoro carburi e esafluoruro di zolfo | 2,5 | ||
| neon | 0,001818 | ||
| elio | 0,00524 | ||
| idrogeno | 0,00005 | ||
| krypton |
L’azoto N2
L’azoto nella sua forma molecolare N2 è chimicamente molto stabile. E’ soprattutto presente nell’atmosfera e in quantitativi modesti nel suolo e nei mari.
L’ossigeno O2
L’ossigeno atmosferico rappresenta solo il 4% dell’ossigeno presente nella Terra. Viene creato continuamente dalle piante con la fotosintesi clorofilliana e continuamente viene captato dal carbonio nella combustione a formare la CO2, e captato dalla pirite (FeS2) a formare ossido ferrico (F2O3) e solfato (SO2−4).
Basterebbe solo l’1% dell’O2 atmosferico ad ossidare tutto il materiale organico presente nella biosfera e trasformarlo in CO2.
L’ozono O3
Nella troposfera solo il troviamo il 10% dell’ozono atmosferico.
Negli ultimi anni si osserva un aumento dell’ozono troposferico sopra le grandi città, dovuto all’inquinamento da ossidi di azoto. L’ozono troposferico rispetto al al secolo scorso è raddoppiato.
L’ozono troposferico aumenta l’effetto serra.
Il carbonio
Il 99,5% del carbonio contenuto nell’atmosfera è rappresentato dalla anidride carbonica, solo lo 0,5 % è metano,
e un infinitesimale 0,03% è ossido di carbonio, 10 alla -5 alcheni e alcani.
L’anidride carbonica
La concentrazione di CO2 in atmosfera era di 280 ppm nei 1000 anni precedenti l’industrializzazione. Negli anni 2000 era in 365 ppm, si stima che CO2 dell’aria ogni anno aumenti di 1,5 ppm.
L’origine della CO2
La fonte principale di CO2 sono i combustibili fossili e l’industria del cemento
Il ciclo vegetale della CO2
L’anidride carbonica atmosferica con la fotosintesi clorofilliana viene captata a formare le catene di glucosio. Tuttavia il legno prodotto prima o poi ritorna come CO2 nell’atmosfera. L’unico modo per ridurre la CO2 atmosferica è la captazione degli oceani.
La rimozione oceanica della CO2
Dato 100 il contenuto di CO2 nell’insieme atmosfera e oceani, nell’epoca preindustriale solo il 2% della CO2 era presente nell’atmosfera.
Oggi in piena epoca industriale, i combustibili fossili e l’industria del cemento hanno contribuito a portare al 3% la CO2 dell’atmosfera. Si stima che di 100 molecole di anidride carbonica immesse nell’atmosfera oggi, solo il 6% si scioglieranno nell’oceano dopo un anno, il 29% dopo 10 anni, il 59% dopo 60 anni, l’84% dopo 360 anni, dopo 1000 anni per rimuoverle tutte.
Dove finisce la CO2 oceanica?
La CO2 dell’oceano viene utilizzata dagli animali marini, trasformata in sostanza organica e quando questi muoiono precipitano sul fondo oceanico, pensiamo alle conchiglie, e formano nel tempo rocce sedimentarie.
La CO2 e l’effetto serra
La ragione per cui la CO2 è responsabile dell’effetto serra, è perchè assorbe la radiazione infrarossa che sale dalla Terra. Ogni 2-3 gradi di aumento della temperatura a Terra, abbiamo una diminuzione di 10 – 20°. della temperatura della stratosfera- mesosfera.
L’ossido di carbonio CO
Nell’atmosfera c’è pochissimo ossido di carbonio, esso è dovuto in parte alla combustione incompleta degli idrocarburi fossili dei mezzi di trasporto, in parte all’ossidazione del metano atmosferico e in parte giunge direttamente dalla vegetazione e dagli oceani. L’ossido di carbonio viene all’80% degradato in atmosfera 80% dall’ ossidrile per formare CO2 e idrogeno e il resto dal suolo.
L’ossido di carbonio è influente sull’effetto serra.
Il metano CH4
Attualmente in troposfera ci sono 2 ppm di metano, cresce a un ritmo dello 0,4% all’anno. Nell’epoca preindustriale era inferiore a 1 ppm e nell’ultima glaciazione era 0,35 ppm.
L’origine della CH4
Il metano in atmosfera deriva per il 30% da sorgenti naturali come i terreni umidi e gli animali selvatici e il restante 70% deriva dall’attività dell’uomo. Il metano che viene dall’uomo: 20% dai ruminanti, 20% dai combustibili fossili, 10% dalle biomasse e 10% dai rifiuti.
L’ossidazione atmosferica del CH4
Il metano ha una vita media di 10 anni, viene degradato in atmosfera: una molecola di CH4 reagisce con 4 molecole di ossigeno per diventare formaldeide, acqua e due molecole di ozono. La formaldeide poi ha una vita di sole poche ore in atmosfera.
Il CH4 e l’effetto serra
Il metano è responsabile dell’effetto serra, perché assorbe la radiazione terrestre dell’infrarosso.
Ogni molecola di metano è 20 volte più efficiente di quella di CO2 nel trattenere l’infrarosso.
Gli alcani e alcheni in atmosfera
Gli idrocarburi non metanici, alcani e alcheni, rappresentano solo il 10 alla meno 5 del carbonio totale, cioè 10 ppm del carbonio totale. La concentrazione è così bassa perchè gran parte di essi hanno una vita brevissima, mediamente di 10 ore. Natura e uomo sono le fonti degli idrocarburi non metanici: 87% naturale quasi interamente vegetale, 13% umana dovuta ai carburanti e ai solventi.
L’erba e le piante decidue, nelle ore calde della giornata e nelle stagioni calde emettono alcheni: 44% isoprene, 11% monoterpeni, composti reattivi dalla vita brevissima, il butanolo e il metanolo.
Carburanti e solventi emettono: 60% alcani, 27% alcheni, 9% aromatici, 4% alchini.
Gli idrocarburi alogenati CH3I, CH3Br, CH3Cl
Esistono 3 idrocarburi alogenati: il cloruro di iodio che è totalmente di origine naturale, prodotto negli oceani in basse quantità. Il bromuro di metile è prodotto dell’attività umana, in basse quantità. Il cloruro di metile anch’esso prodotto dall’uomo e che invece in alte quantità. Nella troposfera la fotolisi distrugge lo ioduro di metile, mentre la distruzione degli altri due è più lunga, per cui la vita media di questi composti è di circa un anno e mezzo. Parliamo dei composti alogenati per loro importanza nell’effetto serra.
I gas responsabili dell’effetto serra
La anidride carbonica, il metano e gli idrocarburi alogenati sono i principali responsabili dell’effetto serra.
La pressione dell’atmosfera della troposfera
Si assume che al livello del mare la pressione atmosferica sia uguale a 1. Ogni 16 km la pressione si riduce a un decimo, per cui a 32 km è a 1/100°, e a 48 km a 1/1000°.
Salendo di quota la pressione diminuisce, perchè diminuisce la massa di gas atmosferici. Man mano che si sale si perdono i gas più pesanti, per cui alle alte quote troviamo solo idrogeno ed elio.
La quantità di molecole degli elementi più leggeri (H e He) è poco influenzata dall’altezza, invece nelle molecole pesanti (O2, N2 ed H2O) sono molto più influenzate dall’altezza.
Ogni km la temperatura scende di 6,5°C.
Nell’aerosol urbano troviamo solfati, nitrati NO3, cloro, bromo, ione ammonio, sodio, potassio, calcio, magnesio, ossidi di alluminio, silicati, ossidi di ferro, in totale fanno 50 microgrammi/m3. Nell’aerosol continentale tutti si riducono e in totale fanno meno di 10 microgrammi/m3. Nell’aerosol marino tutti si riducono tranne cloro, sodio e solfati e in totale fanno 10 microgrammi/m3.
Le nubi occupano il 5-10% del volume della troposfera, sotto i 6 km occupano il 25% della troposfera. Le nuvole ricoprono il 60% degli oceani e il 50% delle terre emerse. Le nubi sono importanti perchè lavano l’atmosfera dalle particelle presenti. Le nuvole filtrano i raggi solari e sono l’origine dei fulmini che formano l’ossido di azoto NO.
Oltre lo strato della vita
Oltre la troposfera abbiamo la Stratosfera, quindi la Mesosfera, la Ionosfera e la Esosfera, ad ogni passaggio di strato c’è una inversione termica.
La stratosfera
Nella stratosfera troviamo il 90% dell’ozono, mentre solo il 10% si trova nella troposfera. L’ozono svolge una funzione importante di filtro dei raggi ultravioletti nocivi. Le concentrazioni di ozono sono doppie nelle alte latitudini rispetto alle aree tropicali, inoltre d’inverno c’è un 50% di ozono in più che d’estate. Gli idrocarburi alogenati riducono l’ozono stratosferico.
A 32 km di altezza la pressione atmosferica è a 1/100° della pressione a livello del mare, e a 48 km a 1/1000°.
H, He, O2 e N2 sono presenti, invece H2O e O3 oltre i 120 km di altezza non si trovano più.
H, He, O2 e N2 si trovano ancora a 600 km di altezza, mentre H2O e O3 le trovi sotto i 120 km di altezza.