Cos'è l'atmosfera?

L'atmosfera è una sottile e stratizzata conchiglia di gas che si tiene sulla Terra per gravità. Si estende approssimativamente 480 km in su, anche se il 99 % della sua massa si trova all'interno dei primi 30 km. Per volume, l'aria secca è circa il 78 % di azoto (N2) e il 21 % di ossigeno (O2). Il restante 1 % comprende argon (0,93 %), anidride carbonica (CO2) a circa 0,042 % (e in aumento), neon, neon, e neon, e altri gas variabili di gas di petrolio.

Questa busta gassosa è molto più di una miscela passiva, che protegge la vita dalle radiazioni solari dannose, fornisce l’ossigeno che respiriamo e, soprattutto criticamente, agisce come una coperta termica che mantiene la temperatura media della Terra a 15 °C (59 °F). Senza un’atmosfera, il nostro pianeta sarebbe una sfera frigida e senza vita con una temperatura media di circa 18 °C (0 °F), simile alla Luna.

Layers of the Atmosphere

L'atmosfera è divisa in cinque strati primari, ciascuno con profili e funzioni di temperatura distinti. Capire questi strati aiuta a spiegare come l'energia viene assorbita, ridistribuita e infine persa allo spazio.

Troposfera

La troposfera è lo strato più basso, che si estende dalla superficie ad un'altitudine media di 12 km (più alta all'equatore, più bassa ai poli). Tutti i fenomeni atmosferici—cloud, pioggia, tempeste—si occupano qui. La temperatura diminuisce con l'altitudine ad una velocità media di interruzione di 6.5 °C per chilometro perché la superficie è la fonte di calore primaria.

Stratos

Al di sopra della tropopausa, la stratosfera si estende da circa 12 km a 50 km. A differenza della troposfera, la temperatura aumenta con l’altitudine perché lo strato di ozono (O3) assorbe il 93–99 % della radiazione ultravioletta ad alta energia solare (UV), che assorbe la vita di entrambi gli scudi e crea una stabile struttura termica che sopprime la miscelazione verticale.

Mesos

Da 50 km a circa 85 km si trova la mesosfera. La temperatura cade di nuovo con l'altitudine, raggiungendo fino a -90 °C (-130 °F). Questo è lo strato in cui la maggior parte delle meteoriti bruciano su entrata, producendo "sstar di caccia". La mesosfera è anche la sede di nubi noctilucenti, le nuvole più alte sulla Terra, formate da cristalli di ghiaccio su polvere da meteori.

Termostato

Nonostante il suo nome, il calore del senso di appartenenza, le molecole di gas sono così scarse che un visitatore si sentirebbe freddo. Tuttavia, la temperatura può raggiungere oltre 1.500 °C a causa dell'assorbimento intenso delle radiazioni UV e X-ray da ossigeno e atomi di azoto. La ionosfera, una regione all'interno della termosfera, è fondamentale per la comunicazione radio ed è dove si verificano le aurore (Nord e Southern Lights).

Esodo

L'esosfero è la frangia più esterna, da circa 600 km a 10.000 km, dove l'atmosfera gradualmente si diluisce nel vuoto dello spazio. Gli atomi idrogeno e elio possono raggiungere velocità di fuga e allontanarsi. I satelliti osservanti sulla Terra e l'orbita della Stazione Spaziale Internazionale all'interno di questa regione, sperimentando un vicino-vacuum ma ancora incontrando particelle sufficienti per degradare le loro orbite nel tempo.

Come l'atmosfera regola la temperatura

La regolazione della temperatura è un processo complesso e dinamico che coinvolge radiazioni, assorbimento, riflessione e ridistribuzione dell'energia, che raggiunge questo equilibrio attraverso diversi meccanismi interconnessi.

L'effetto serra

L'effetto serra è spesso descritto come una coperta naturale. La radiazione solare in entrata (la onde corte) passa attraverso l'atmosfera e riscalda la superficie. La Terra emette quindi radiazione infrarossa a onde lunghe verso l'alto. I gas serra — primarily vapore acqueo, CO2, metano (CH4), ossido nitroso (N2O), e ozono — assorbire una grande frazione di questo superfluo di superficie infrarossa e re-emettere indietro tutte le direzioni.

Il problema si pone quando le attività umane aumentano le concentrazioni di questi gas, causando un effetto serra [] potenziato[]] che intrappola il calore in eccesso. Dal momento che la rivoluzione industriale, i livelli di CO2 sono aumentati da circa 280 ppm a oltre 420 ppm, guidando il riscaldamento globale.

L'effetto Albedo

Albedo è la frazione di luce solare in entrata che riflette una superficie. La neve fresca ha un albedo fino a 0,9 (90 % riflesso), mentre le foreste scure e gli oceani hanno albedos a partire da 0,05–0,25. L'atmosfera stessa contribuisce anche: le nuvole riflettono circa il 20-30 % della radiazione solare, e gli aerosol (piccole particelle) possono riflettere o assorbire a seconda della loro composizione.

Per esempio, come il ghiaccio marino artico si scioglie a causa del riscaldamento, l'acqua più scura dell'oceano è esposta, che assorbe più calore, accelera ulteriormente la perdita di ghiaccio e il riscaldamento. Questo ice-albedo feedback[]] è un amplificatore importante del cambiamento climatico. Allo stesso modo, la deforestazione nell'alterazione Amazon riduce i modelli regionali di albedo, contribuendo al cambiamento climatico locale.

Distribuzione di calore da parte della Circolazione atmosferica

L'atmosfera si muove dal calore dai tropici verso i poli attraverso le cellule di circolazione su larga scala. Le più importanti sono le cellule di Hadley: l'aria calda e umida si alza vicino all'equatore, raffredda e rilascia pioggia, poi scorre poleward ad alta quota prima di scendere intorno a 30° di latitudine, creando cinghie ad alta pressione subtropicali e grandi deserti. L'aria scende riscalda adiabaticamente, inibendo la formazione del vento globale.

Questa circolazione non solo ridistribuisce calore ma anche umidità. Senza di essa, i tropici sarebbero ancora più caldi e i poli molto più freddi. I flussi di getto—velocità, correnti d'aria strette nella troposfera superiore— svolgono un ruolo cruciale nei sistemi di tempo di guida e possono cambiare a causa di variazioni dei gradienti di temperatura, che interessano i climi di mezza latitudine.

Scambio di calore Ocean-Atmosphere

Gli oceani coprono il 71 % della superficie terrestre e assorbirono una grande quantità di energia solare, e mantengono anche circa 1.000 volte più calore dell’atmosfera. Le correnti oceaniche, guidate da differenze di vento e di densità (circolazione ditermina), trasportano calore a livello globale.

Calore latente e convezione

L'evaporazione dell'acqua dall'oceano o dalla superficie terrestre assorbe il calore latente. Questa umidità aumenta e condensa in nuvole, rilasciando quel calore nell'atmosfera – spesso a altitudini superiori. Convezione (movimento dell'aria verticale) guidata da questo rilascio di calore latente è il motore dietro temporali, uragani e piogge tropicali.

Impatto umano sull'atmosfera

Le attività umane hanno profondamente alterato la composizione atmosferica e la sua capacità di regolare la temperatura, mentre i processi naturali come i vulcani e i cambiamenti orbitali hanno influenzato il clima per milioni di anni, l'attuale tasso di cambiamento è senza precedenti in almeno 800.000 anni.

Emissioni di gas serra

Il principale motore del cambiamento climatico moderno è l'emissione di gas serra da combustibili fossili brucianti, processi industriali, agricoltura e deforestazione.

  • diossido di carbonio (CO2)] – dal carbone, dal petrolio, dalla combustione dei gas naturali e dalla produzione di cemento.
  • Metano (CH4)[] – da bestiame, risaie, discariche e perdite di olio/gas. Il metano è più di 25 volte più potente di CO2 oltre 100 anni ma persiste per circa un decennio.
  • ossido nitido (N2O)[] – dai fertilizzanti, dai processi industriali e dalla combustione della biomassa. N2O è quasi 300 volte più potente del CO2 e dura oltre un secolo.
  • Gas fluorurati (F-gas)[ – composti sintetici utilizzati nella refrigerazione, nell'aria condizionata e nell'elettronica. Alcuni, come SF6, hanno potenzialità di riscaldamento globale migliaia di volte superiori a CO2.

Aerosol e inquinamento atmosferico

Alcuni aerosol (come solfati) riflettono la luce solare e possono causare un effetto di raffreddamento, in parte mascherando il riscaldamento a serra. Tuttavia, questo raffreddamento è regionale e di breve durata, e gli aerosol anche degradano la qualità dell'aria, causando milioni di morti prematuri ogni anno.

Cambiamenti di terreno

La riduzione delle foreste con colture o pascoli riduce la quantità di CO2 assorbita e può aumentare le temperature locali. Le isole di calore urbano – città che sono più calde delle aree rurali circostanti – cambiano i modelli meteorologici locali e aumentano la domanda di energia per il raffreddamento.

Conseguenze del regolamento di temperatura altered

L'effetto serra potenziato ha già aumentato la temperatura media globale di circa 1,2 °C rispetto ai livelli pre-industriali, che innesca una cascata di effetti:

  • Tempo estremo:[] Caldaie più intense, precipitazioni pesanti, siccità e cicloni tropicali più forti.
  • Alzata di livello:[ Il livello globale del mare medio è aumentato di circa 20 cm dal 1900, accelerando a causa dell'espansione termica e della fusione dei ghiacciai e dei ghiacciai.
  • Disturbo ecosistema:[] Sbiancamento corallo, variano le specie e aumentano il rischio di incendio.
  • Risposte positive:[[] Il permafrost di Thawing rilascia metano e CO2, amplificando il riscaldamento; il ghiaccio marino di fusione riduce l'albedo; il dieback forestale riduce i lavandini di carbonio.
  • Acidificazione oceana:[ Circa il 30% della CO2 emessa si dissolve nell'oceano, formando acido carbonico. Questo danneggia gli organismi calcificanti come coralli, crostacei e plancton, minacciando l'intero web alimentare marino.

Per l'ultima valutazione scientifica, consultare il Pannello intergovernativo sul Rapporto di valutazione del cambiamento climatico (VIII Rapporto di valutazione[].

Mitigazione del cambiamento climatico e del riequilibrio di ripristino

Ridurre l’ingerenza umana con la regolazione della temperatura dell’atmosfera richiede un’azione immediata e sostenuta. Le strategie cadono in tre categorie: mitigazione, adattamento e potenziale geoingegneria.

Mitigazione: Ridurre le emissioni

  • Trasmissione a energia rinnovabile:[ Solar, wind, hydro e geotermal possono sostituire i combustibili fossili. I costi sono caduti drammaticamente; solare e vento sono oggi spesso le fonti più economiche di nuova energia elettrica.
  • Efficienza energetica:[ Migliore isolamento, illuminazione a LED, elettrodomestici efficienti e processi industriali migliorati ridurre la domanda di energia.
  • Elettrificazione e trasporto decarbonizzato:[ Veicoli elettrici, transito pubblico e ciclismo riducono la dipendenza dal petrolio.
  • Rimozione del carbonio:[] Riforestazione, rimboschimento, gestione del suolo migliorata (agricoltura di carbonio), e tecnologie di cattura diretta dell'aria possono tirare CO2 dall'atmosfera.
  • cattura del metano:[ Ridurre perdite di olio e gas, catturare il gas di discarica e modificare le pratiche agricole (ad esempio, additivi per il mangime per il bestiame) possono tagliare le emissioni di breve durata ma potenti.

Adattamento ad impatti inevitabile

Anche con una mitigazione aggressiva, alcuni riscaldamenti sono già bloccati in: le comunità devono adattarsi costruendo infrastrutture resistenti, sviluppando colture resistenti alla siccità, ripristinando le mangrovie e le zone umide per la protezione delle coste, migliorando i sistemi di allarme rapido per il clima estremo.

Geoingegneria: Un ultimo resort controversiale

Alcuni scienziati propongono gestione delle radiazioni solari[] (ad esempio, iniettando aerosol solfati nella stratosfera per riflettere la luce solare) o rimozione diossido di carbonio[] a larga scala. Questi approcci portano rischi e sconosciute, ma sono stati studiati come potenziali integratori per tagli di emissioni, non sostituzioni.

Importanza di comprendere il regolamento di temperatura atmosferica

Per gli studenti e gli educatori, comprendere come l'atmosfera regola la temperatura sia fondamentale per comprendere la scienza del clima. Collega la fisica (radiazione e termodinamica), la chimica (gas e reazioni a effetto serra), e la biologia (fotosi, respirazione e feedback degli ecosistemi). Questa conoscenza consente agli individui di prendere decisioni informate sull'uso dell'energia, sulla politica e sullo stile di vita.

Venus, con un effetto serra fugato, ha una superficie abbastanza calda da sciogliere il piombo. Marte, con un'atmosfera sottile, ha una temperatura media di –63 °C. La Terra si trova tra questi estremi a causa della sua composizione atmosferica unica, dell'acqua abbondante e della vita che ha co-evoluto con il clima del pianeta.

Conclusioni

L’atmosfera è molto più di un semplice strato d’aria. Si tratta di un sistema dinamico e intricato che regola la temperatura della Terra attraverso l’effetto serra, l’albedo, la circolazione del calore e i processi termici latenti. Le attività umane, soprattutto la combustione dei combustibili fossili e il cambiamento del terreno, hanno interrotto questo sistema, portando al rapido riscaldamento globale e ad una cascata di conseguenze ambientali.