domini atmosferici

DOMINI ATMOSFERICI

Temperatura e pressione in un’atmosfera planetaria dipendono dall’altitudine; per valutare il cambiamento di pressione con l’altitudine, dal momento che l’atmosfera di un pianeta si trova in equilibrio (non si contrae né si espande), possiamo riferirci all’equazione dell' equilibrio idrostatico:

Poichè ci interessa solo l’altitudine, possiamo prendere la sola coordinata z di questa equazione vettoriale:

Questa equazione mostra che la pressione deve decrescere con l’altitudine. Sostituendo l’accelerazione di gravità terrestre, che possiamo con buona approssimazione ritenere costante, abbiamo:

Sostituisco a questa la r che derivo dall’equazione dei gas perfetti:

avendo così:

Se la temperatura T è indipendente dall’altitudine (atmosfera isoterma) e lo è anche m_av, integrando la formula precedente si ha:

dove P_s è la pressione all’altitudine zero e h è la cosiddetta altezza di scala isoterma:

Quindi, la pressione decresce esponenzialmente con l’altitudine.

Valutare il cambiamento di temperatura con l’altitudine è più difficile, perché si devono considerare tutti i possibili modi nei quali l’energia è guadagnata e persa ad ogni livello atmosferico e alla superficie.
Come abbiamo visto nel discorso sull’effetto serra, gli scambi di calore nei vari livelli sono molti e complicati. In più, nel considerare il comportamento della temperatura con l’altitudine, bisogna anche considerare la presenza o l’assenza di convezione.
La convezione si instaura se la diminuzione della temperatura con l’altitudine è rapida quanto o più del gradiente adiabatico. Nelle atmosfere planetarie il tasso di diminuzione della temperatura con l’altitudine è chiamato lapse rate (tasso di rilascio), e il gradiente adiabatico è chiamato adiabatic lapse rate.
L’adiabatic lapse rate è dato da:

dove c_p è il ben noto calore specifico a pressione costante. Quindi, se

la convezione si instaura.

Considerando tutti i vari fattori che contribuiscono, si può tracciare un grafico del lapse rate in una atmosfera planetaria:

Come si vede ci sono diversi tipi di domini atmosferici; Il primo di essi usa come discriminante il lapse rate, e consta di tre domini:

troposfera, nella quale il lapse rate è uguale o vicino al valore adiabatico. Il nome deriva dal fatto che ci sono mutamenti, dovuti alla convezione. Nella tropopausa il lapse rate diventa sub-adiabatico e scompare la convezione. Qui la radiazione IR emessa dalla troposfera e dalla superficie fugge nello spazio.

mesosfera, in cui il lapse rate è piccolo (non c’è convezione). Questo strato guadagna energia assorbendo fotoni UV solari, ne perde emettendo fotoni IR. Termina nella mesopausa.

termosfera, regione in cui il lapse rate è negativo (la temperatura aumenta con l’altitudine). Non c’è convezione.

A seconda della composizione chimica, un’atmosfera può essere classificata con altri criteri:

omosfera, nella quale moti atmosferici e collisioni molecolari mantengono l’atmosfera ben mescolata (stessa composizione a qualsiasi altezza, eccetto per i gas che condensano);

eterosfera, nella quale il mescolamento è minore, e l’atmosfera si differenzia chimicamente (i gas più pesanti tendono a cadere, mentre i più leggeri salgono);

O anche:

esosfera, nella quale la densità è così bassa, e quindi le collisioni così rare, che molte particelle riescono a sfuggire nello spazio;

ionosfera, nella quale ci sono molte particelle ionizzate dai raggi UV solari che rendono lo strato conduttore elettrico e termico.

Per quel che riguarda il lapse rate, la Terra è un caso unico nel Sistema Solare, perché la temperatura ha un brusco innalzamento prima ancora della termosfera.
Questo strato particolare è chiamato stratosfera.
Nella stratosfera la convezione è trascurabile, e la risalita improvvisa di temperatura è dovuta all’assorbimento dei raggi UV solari compresi tra 200 e 300 nm da parte dell’ozono (O₃).

Bibliografia
Bradley W. Carroll-Dale A. Ostlie, An introduction to modern astrophysics, Addison-Wesleyb Publishing Company, Ogden, Ut (USA), 1996
Barrie W. Jones, Discovering the solar system, John Wiley & Sons, Chichester (England), 1999

Le immagini sono state tratte dai seguenti siti:

www.ldgo.columbia.edu/dees/ees/climate/index.html
www.meteorologia.it/didattica/avanzato/circolazione_generale.htm.