Composizione dell'atmosfera

Esaminiamo innanzitutto le caratteristiche della bassa atmosfera, ossia di quella parte dell'inviluppo gassoso del nostro pianeta che è compresa entro i primi 45 km di altezza. Essa comprende la troposfera ed una parte di stratosfera. Ricordiamo che entro i primi 30 km di altezza è situato circa il 99% della massa globale dell'atmosfera stessa.

La bassa atmosfera è formata in parte di gas la cui concentrazione rimane pressoché costante al variare dell'altezza e che sono per il 99.997% azoto, ossigeno e argo. In parte è formata da gas la cui concentrazione è variabile, quali il vapor d'acqua (H₂O ), l'anidride carbonica (CO₂ ), l'anidride soloforosa (SO₂ ) e l'ozono (O₃ ). La concentrazione del vapor d'acqua varia in relazione al suo ciclo di evaporazione-condensazione- precipitazione che si svolge essenzialmente entro i primi 12 km di atmosfera. L'anidride carbonica proviene da fotosintesi, combustioni e dai processi di assorbimento ed emissione da parte degli oceani. L'ozono è concentrato nella zona tra 20 e 45 km, si forma per effetto della luce del sole sull'ossigeno biatomico e costituisce con le sue reazioni di fotodissociazione il nostro naturale schermo dalle radiazioni ultraviolette solari.

Nell'atmosfera sono in sospensione particelle liquide, solide o miste che vengono chiamate aerosoli . Sono presenti in elevata quantità con concentrazioni variabili in dipendenza del luogo e del tempo. La loro concentrazione decresce comunque con l'altitudine e con la distanza dalle regioni più densamente popolate. Esse hanno parte nel processo di condensazione del vapore acqueo che avviene quando l'aria che le contiene, satura di vapore acqueo, subisce un brusco abbassamento di temperatura. Giocano quindi un ruolo di base nella formazione delle precipitazioni atmosferiche.

Le particelle con diametri tra 10^-6 e 10^-4 mm sono dette Particelle di Aitken. Esse hanno una concentrazione che va da qualche centinaio per centimetro cubo sopra agli oceani a qualche milione per centimetro cubo nelle atmosfere inquinate dei centri industriali. In genere sono particelle elettricamente cariche. Le particelle con diametro inferiore a 10^-4 mm tendono a coagularsi o ad agglomerarsi in particelle più grandi fino a raggiungere un peso sufficiente a precipitare. Le particelle con diametri tra 10^-4 mm e $5~10^{-3}$ mm hanno concentrazioni che vanno da 1000 particelle per centimetro cubo a 10^-1 particelle per centimetro cubo decrescenti con il crescere delle dimensioni. Esse sono alla base del fenomeno della bruma. le particelle con diametri maggiori di $5~10^{-3}$ mm sono presenti in debole concentrazione, da circa 10^-6 particelle per centimetro cubo fino a 0.1 particelle per centimetro cubo in atmosfere inquinate, per la loro tendenza a sedimentare al suolo. Alcune sono formate di sostanze igroscopiche e perciò tendono a condensare vapor d'acqua più facilmente delle altre.

Gli aerosoli  si formano principalmente per una brusca condensazione dei vapori prodotti da combustioni, sia naturali (es. vulcaniche) che prodotte dall'uomo (es. industriali), per reazioni dovute al calore, all'umidità e all'irraggiamento solare nei gas atmosferici oppure per effetto meccanico sulla superficie terrestre. Vi sono aerosoli  anche di origine meteoritica, le micrometeoriti, o prodotti dalla combustione delle meteore. Gas e aerosoli  prodotti dalle attività umane sono fonte di inquinamento atmosferico. Alcune condizioni meteorologiche possono favorire un accumulo di gas e aerosoli dovuti all'inquinamento, come la presenza di anticicloni che fanno si che lo strato d'aria a livello del suolo sia stabile favorendo la stagnazione dell'aria di notte. In questi casi si può produrre, a causa dell'irraggiamento al suolo, uno strato di inversione termica che aggrava il fenomeno impedendo la convezione dell'aria. Spesso tali condizioni climatiche possono favorire anche reazioni che coinvolgono le particelle dell'inquinamento ambientale (es. lo smog).

Possiamo semplificare la struttura dell'atmosfera considerandola un mezzo gassoso in equilibrio sottoposto alla attrazione gravitazionale. In questo caso vale l'equazione dell'equilibrio idrostatico. Se trascuriamo la curvatura terrestre, la forza per unità di superficie (pressione) che sostiene uno strato di atmosfera di spessore dz è uguale e contraria alla forza di gravità agente sulla massa dello strato corrispondente a quella unità di superficie:  $$dp=-g \rho dz$$

(13)

ove g è la accelerazione di gravità e $\rho$ è la densità dello strato. Per l'aria secca vale l'equazione di stato di un gas perfetto: $$P=\rho \frac{RT}{M}$$

(14)

ove R è la Costante dei Gas, M è la massa di una mole di aria secca (22.4 litri di aria secca in condizioni normali), T è la temperatura. Ricavando la densità dall'ultima equazione, sostituendola nella equazione (2.13) e e integrando con $T=\overline{T}$, $g=\overline{g}$ ed $M=\overline{M}$ si ottiene: $$P=P_{0}~~e^{ \left(- \frac{\overline{M}\overline{g}}{R\overline{T}}z\right)}$$

(15)

$$\rho=\rho_{0}~~e^{ \left(- \frac{\overline{M}\overline{g}}{R\overline{T}}z\right)}$$

(16)

Quindi in prima approssimazione la densità della componente gassosa dell'atmosfera decresce in modo esponenziale con l'altezza. Anche la densità degli aerosoli  decresce con l'altezza in modo presochè esponenziale come si vede ad esempio nelle misure riportate in figura 2.36.

Figure 2.36: Andamento della densità numerica degli aerosoli nell'atmosfera con l'altitudine. Le varie curve si riferiscono a misure in luoghi e condizioni atmosferiche diverse.

Gli effetti sulla propagazione della luce delle due classi principali di particelle che abbiamo esaminato, le molecole e gli aerosoli , sono fenomeni di diffusione (scattering) e fenomeni di assorbimento. Entrambi tolgono energia ad un fascio di luce. L'attenuazione che ne deriva è chiamata  estinzione.