La vitale atmosfera che ci avvolge
di I. Hunstad, L. Cafarella e S. Pau
L‘atmosfera terrestre è uno strato gassoso molto sottile che avvolge la Terra. Quantificarne lo spessore non è cosa semplice. Ma se la Terra fosse grande come una palla da pallacanestro, l’atmosfera sarebbe una sottile pellicola di plastica avvolta intorno ad essa.
L’atmosfera rimane localizzata intorno alla Terra e non si disperde nello spazio perché è attratta dalla forza di gravità terrestre, la stessa che ci fa stare con i piedi per terra.
Caratteristiche dell’atmosfera terrestre
È grazie alla presenza dell’atmosfera che è possibile la vita sul nostro pianeta!
Ci protegge infatti dai raggi troppo intensi provenienti dal Sole e dallo spazio. Previene grandi cambiamenti di temperatura tra giorno e notte.
L’atmosfera non è un sistema omogeneo: cambia la sua composizione e densità in base all’altezza. Più si sale in quota e più diventa rarefatta. Possiamo schematicamente suddividerla in due parti: bassa e alta atmosfera. Nella bassa atmosfera la composizione chimica è abbastanza omogenea, mentre nell’alta atmosfera (dai 100 km in su) i gas sono più rarefatti e stratificati, secondo la loro densità. Anche la temperatura varia in base all’altezza.
Solo una piccola frazione della nostra atmosfera è respirabile.
La suddivisione in strati
L’atmosfera è un sistema molto dinamico che interagisce con il Sole e con l’energia che arriva da questo. Viene suddivisa in 5 strati differenti caratterizzati dall’andamento della temperatura con l’altezza ma lo spessore di questi strati varia molto secondo lo stato del sistema Terra-Sole.
I cinque strati sono: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera.
La troposfera
Lo strato più vicino alla superficie terrestre è la troposfera ed è lo strato in cui viviamo e che ci interessa da vicino! Qui avvengono i fenomeni atmosferici come la formazione del vapor d’acqua, dei venti, delle nubi, delle piogge. Contiene l’aria che respiriamo e che serve alle piante per fare la fotosintesi. Questo strato parte dalla superficie terrestre e si estende per circa 7 – 15 km, dipende dal punto della superficie terrestre da cui la misuriamo: è più sottile ai poli e più spessa all’equatore.
Nella troposfera più si va in alto più la temperatura diminuisce perché il calore proviene dalla superficie terrestre. Ogni 100 metri la temperatura scende di 0.6 °C. Infatti, in montagna fa più freddo che al mare.
I bassi valori della temperatura nello strato più alto (a circa 15 km) favoriscono la trasformazione del vapore in goccioline (condensazione) impedendo così all’acqua di lasciare la troposfera. Si può dire che la troposfera si comporti nei confronti dell’acqua come una “trappola fredda”. Questo è un bene perché la vita sulla Terra sarebbe impossibile senza acqua.
La troposfera contiene tre quarti della massa dell’intera atmosfera. L’aria qui è costituita per il 78% di azoto e per il 21% di ossigeno. L’ultimo 1% è costituito da argon, vapore acqueo e anidride carbonica.
La stratosfera
La stratosfera è il secondo strato dell’atmosfera. Si estende da 15 a 50 km al di sopra della superficie terrestre. Qui non ci sono tempeste o turbolenze che creano correnti d’aria come accade nella troposfera. Per questo motivo nella parte più bassa della stratosfera volano i jet per evitare le turbolenze.
Nella stratosfera l’aria fredda e pesante si trova in basso mentre l’aria calda e più leggera è in alto. Per questo la temperatura aumenta con il crescere dell’altezza (al contrario di quello che accade nella troposfera). Salendo in quota qui ci toglieremmo i vestiti pesanti, contrariamente a quello che ci accade sulla Terra.
A circa 40 km si trova uno strato di gas molto importante: lo strato di Ozono (O3), essenziale per la vita sul nostro pianeta poiché ci protegge dalle dannose radiazioni ultraviolette del Sole. L’Ozono le assorbe e impedisce che arrivino fino a noi.
La mesosfera
In questo strato l’atmosfera non subisce più l’influsso della superficie terrestre. Anche qui, come nella troposfera, la temperatura diminuisce con la quota fino a raggiungere -85°C, il punto più freddo del sistema TERRA.
Nella mesosfera hanno origine le “stelle cadenti“, cioè i piccoli frammenti meteorici che arrivano fino alla nostra atmosfera. Ma non c’è da temere! Bruciano prima di raggiungere la Terra, lasciando splendide scie luminose e polvere di meteore.
Raramente, ma può accadere, un po’ di vapore d’acqua riesce a sfuggire dalla trappola fredda della troposfera per arrivare nella mesosfera. Questo vapore d’acqua si aggrega e si congela intorno alla polvere meteorica formando le nubi nottilucenti costituite di cristalli di ghiaccio. Queste nubi, riflettendo la luce del Sole, splendono di bianco e di un bel blu brillante. Appaiono in estate dopo il tramonto appena prima che il cielo diventi scuro.
La termosfera
Lo strato successivo è la termosfera, che si estende per diverse centinaia di chilometri (fino a circa 500 km). Le temperature nella termosfera raggiungono i 500 – 2000 °C aumentando la quota.
Ma è veramente così caldo qui? Non esattamente. Il problema è la definizione di temperatura a noi familiare. Nella termosfera ciascuna molecola ha un’enorme quantità di energia cinetica, perciò è vero che le temperature qui sono molto elevate. Dobbiamo però considerare che quando misuriamo la temperatura dell’aria, le molecole del gas che collidono con il termometro trasferiscono ad esso la loro energia, consentendo al termometro di fornire una misura della temperatura ambientale. Ma nella termosfera il numero di molecole per unità di volume è circa un milionesimo di quello che abbiamo vicino la superficie terrestre. Questo significa che la quantità di energia globale trasferita ad un termometro sarebbe comunque scarsa: un termometro convenzionale nell’alta atmosfera non riuscirebbe a funzionare. Perciò, la temperatura registrata nella termosfera rappresenta una misura dell’energia molecolare (la cosiddetta “temperatura cinetica”) ma il valore ottenuto non è direttamente confrontabile ai valori di temperatura cui siamo soliti fare riferimento per le misure effettuate presso la superficie terrestre e ai quali attribuiamo l’usuale significato di “caldo” o di “freddo”.
Nella termosfera orbita la Stazione Spaziale Internazionale, a circa 400 km di quota! Qui si trovano anche i satelliti posizionati in orbita bassa.
Lo strato basso della termosfera: la ionosfera
Dalla parte bassa della termosfera parte uno strato speciale chiamato ionosfera, dalla parola “ione” che significa carica elettrica. Qui si trovano molte cariche elettriche libere, positive e negative, create dalla radiazione proveniente dal Sole. La ionosfera ha una notevole importanza pratica per noi perché la sua esistenza permette le comunicazioni radio da una parte all’altra del pianeta.
A volte sul Sole si verifica una tempesta! Di conseguenza dalla nostra stella partono particelle velocissime che riescono a raggiungere l’atmosfera terrestre attraverso i due poli, Nord e Sud della Terra. Qui si scontrano con l’Ossigeno e l’Azoto dando luogo agli splendidi spettacoli delle aurore osservabili nelle aree polari.
L’esosfera
L’esosfera è il confine estremo della nostra atmosfera. E’ l’ultimo strato, quello più esterno, e si estende per migliaia di chilometri dalla superficie terrestre. Non ha un vero limite, sfuma progressivamente verso lo spazio interplanetario. Le molecole gassose presenti sono così rare che nel loro insieme non si comportano come un gas. Possono sfuggire all’attrazione gravitazionale terrestre e andare nello spazio.
Qui orbitano i satelliti artificiali che si muovono attorno alla Terra.
Per apprendere semplici concetti sulla struttura dell’atmosfera terrestre è disponibile un video preparato dalle autrici. Il video è pensato per sostenere gli insegnanti della scuola durante le lezioni di scienza della Terra.
GUARDA IL VIDEO! (scuola primaria)
GUARDA IL VIDEO! (scuola secondaria di primo grado)
Il Laboratorio da fare in classe
L’esecuzione di questo laboratorio aiuta gli insegnanti a far comprendere la struttura dell’atmosfera terrestre ai ragazzi della scuola primaria e secondaria di primo grado.
Durata del laboratorio: 1 ora
Occorrente:
- 1 mela
- 1 foglio di carta
- matite o pennarelli
- 1 bottiglia da 1 l
- 1 kg sale fino in 4 diverse colorazioni (realizzati mescolando il sale con coloranti per alimenti).
Suggerimenti per l’insegnante
Nella prima parte del laboratorio, dopo una introduzione generale sull’atmosfera terrestre, spiega agli studenti che verrà utilizzato un “modello” per esplorare fino a che punto l’atmosfera terrestre si estenda sopra la superficie terrestre. Chiudi l’introduzione ponendo la domanda: “Quanto pensate si estenda l’atmosfera sopra di noi?”
A questo punto taglia una sezione orizzontale della mela e poggiala sul foglio di carta.
Questa sarà nel nostro modello la Terra! Chiedi agli studenti di stabilire fino a che punto l’atmosfera terrestre secondo loro si estenda intorno alla Terra, e invitali a tracciare dei cerchi con i pennarelli sul foglio intorno alla mela/Terra. Ognuno traccerà la propria idea di atmosfera!
In realtà, alla scala della mela le dimensioni dell’atmosfera corrispondono allo spessore della buccia. Probabilmente nessuno avrà indovinato!
Dopo aver commentato i risultati di questo esperimento passa alla seconda parte del laboratorio: conosciamo gli strati dell’atmosfera.
Spiega agli studenti che vi accingete a verificare la struttura degli strati atmosferici e lo spessore di ciascuno dei primi quattro strati dell’atmosfera (troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera).
Utilizza una bottiglia di plastica da 1 litro (1000 ml) e le quantità di sale colorato riportate in tabella per rappresentare gli strati atmosferici nella bottiglia.
| Strato Atmosferico | Colore | Quantità | Limite superiore |
| Troposfera | Celeste | 30 g | 15 |
| Stratosfera | Rosa | 70 g | 50 |
| Mesosfera | Verde | 80 g | 90 |
| Termosfera | Giallo | 820 g | 500 |
Gli studenti possono scegliere il colore che desiderano per ogni strato atmosferico.
Le domande
Puoi concludere il laboratorio ponendo alcune domande per verificare l’apprendimento:
Ecco qualche esempio:
- Quali strati atmosferici sono rappresentati dai diversi colori nella bottiglia? Troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera
- In quale strato atmosferico viviamo? nella troposfera
- Quanto è più spessa la stratosfera rispetto alla troposfera? 30 km (45 km – 15 km)
- Quanto è più spessa la termosfera rispetto a tutti gli altri strati messi insieme? 830 km = 910 km – [15 km + 40 km + 35 km])
- Dove ti aspetteresti di trovare le nuvole? nella troposfera
- Dove ti aspetteresti di trovare il Monte Everest? nella troposfera
- Dove ti aspetteresti di trovare un satellite? nella termosfera
- Dove ti aspetteresti di trovare la Stazione Spaziale Internazionale? nella termosfera
- Dov’è lo strato di ozono? nella stratosfera
La infografiche di questa pagina sono a cura di L. Cafarella