La temperatura diminuisce pressoché linearmente con l’aumentare della quota nei primi 10-20 km, a seconda delle regioni. La regione in cui ciò accade è detta troposfera e, come accennato, il suo spessore varia con la latitudine. La zona in cui la temperatura cessa di diminuire è detta tropopausa, e al di sopra di essa si estende la stratosfera, caratterizzata, al contrario della troposfera, da un leggero aumento della temperatura con la quota. Per inciso, la pressione decresce invece continuamente con andamento pressoché esponenziale. Oltre la stratosfera si estendono la mesosfera e poi la termosfera, ognuna definita da alcune caratteristiche chimico-fisiche peculiari. Fermiamoci ora alla troposfera ed alla stratosfera. (fig 1)
fig 1: andamenti della temperatura e della pressione nella medio-bassa atmosfera. Al di sopra di questi strati l’aria è talmente rarefatta da richiedere diversi criteri di classificazione.
Il motivo della diminuzione della temperatura in troposfera è da imputare alla convezione atmosferica dovuta al riscaldamento solare. La radiazione solare che attraversa l’atmosfera è in parte assorbita, in parte riflessa ed in parte (la maggior parte, in condizioni di cielo sereno) giunge al suolo. La potenza della radiazione solare che incide su ogni metro quadrato di superficie alla sommità dell’atmosfera è di circa 1340 W, integrata su tutto lo spettro (da circa 0.1 a 10 micrometri).
Spesso d’estate, in Italia, si possono registrare irradianze (tralascio la definizione esatta) al suolo di anche 1000 W/m2, da cui si evince che gran parte della potenza solare giunge a scaldare il suolo terrestre. Chiaramente l’effetto è tanto più importante quanto più il Sole è vicino allo zenit, cosa che accade quanto più ci si avvicina all’equatore, in quanto la porzione di atmosfera che la radiazione attraversa è minore e l’incidenza normale dei raggi li rende per così dire più ‘concentrati’. (fig.2)
fig.2 : Il flusso solare in arrivo sulla Terra è tanto più assorbito dall’atmosfera e si distribuisce su superfici man mano più grandi quanto più ci si avvicina ai poli. Per questo motivo l’energia che giunge a scaldare il suolo decresce dall’equatore verso i poli.
Quando un fluido è riscaldato dal basso si innescano delle correnti convettive in quanto il fluido più caldo è meno denso di quello freddo e inizia a salire. Qui c’è da osservare che possono esistere condizioni in cui l’aria calda non riesce a salire: l’atmosfera è considerata in questi casi stabile, ma non è una condizione comune in caso di tempo soleggiato.(*) Nelle vicinanze del suolo, comunque, vari effetti locali possono modificare questa tendenza generale: riscaldamenti locali dovuti a fonti naturali o artificiali, raffreddamento radiativo del terreno, ecc.
Poiché l’aria è cattivo conduttore di calore, le trasformazioni termodinamiche che avvengono in queste masse d’aria in movimento possono essere sostanzialmente considerate adiabatiche (cioè senza scambi di calore). Durante la salita, però, l’aria passa a pressioni minori (questo è un effetto dovuto alla gravità) e si espande. Dalla termodinamica sappiamo che una espansione adiabatica comporta una diminuzione della temperatura (si pensi all’espansione dei gas dentro e all’uscita di una bomboletta spray), per cui l’aria che sale in atmosfera si raffredda.
Si può dimostrare che per aria completamente secca e nell’approssimazione adiabatica si ha una diminuzione costante della temperatura con la quota (gradiente lineare), e pari a circa 9.8 K/km. Si veda ad esempio la bellissima dimostrazione nel libro ‘Termodinamica’ di Enrico Fermi, ed. Boringhieri.
In realtà ciò che si osserva in media è un gradiente abbastanza più basso, circa 6.5 K/Km, a causa della condensazione dell’umidità atmosferica. L’umidità atmosferica, infatti, in questo caso si avvicina alla saturazione con il diminuire della temperatura e della pressione, e condensa rilasciando calore, il quale a sua volta aumenta la temperatura dell’aria stessa. Il calcolo in questo caso è però abbastanza più complicato.
Oltre un certo livello, però, la forza trainante della radiazione solare non è più sufficiente a mantenere i moti convettivi e allora si osserva una zona molto più stabile termodinamicamente, che è poi la stratosfera. In essa la temperatura risale con la quota fin sopra lo zero, a causa del calore rilasciato dalle reazioni fotochimiche, principalmente dalla dissociazione dell’ozono stratosferico.
(*) Si pensi ad una bolla di aria ad una certa temperatura immersa in un’atmosfera caratterizzata da un certo gradiente di temperatura. Si pensi ad esempio all’aria emessa da un camino. Se essa viene sollevata, per quanto visto si espande adiabaticamente e si raffredda di circa 10 K/km. Se l’aria circostante si raffredda con la quota in maniera maggiore, la bolla resterà sempre più calda, e quindi più leggera, dell’aria circostante, e tenderà a salire ancora. Viceversa, se l’aria presenta un gradiente minore, la bolla si troverà, salendo, a temperature inferiori e tenderà a tornare in basso essendo più densa dell’aria circostante. Ciò si presenta spesso in inverno, quando il suolo la notte si raffredda per irraggiamento e l’atmosfera quindi in generale presenta una inversione termica. In questi casi è comune vedere che il fumo e i vapori dei camini e ciminiere tende a ridiscendere a terra senza disperdersi: queste sono le condizioni peggiori per la qualità dell’aria e spesso i provvedimenti anti inquinamento adottati dalle amministrazioni si basano su statistiche climatiche proprio per attenuare l’impatto di queste condizioni, anche se sarebbe più efficace determinare i blocchi solo quando queste condizioni effettivamente si verificano. D’altra parte, è vero che è impensabile decretare provvedimenti con il preavviso così breve che consentono le attuali capacità previsionali delle condizioni atmosferiche!