Qualità dell'aria

Cosa è l'atmosfera terrestre
L'atmosfera terrestre è l'involucro gassoso che avvolge la Terra svolgendo una funzione di termoregolazione e di filtraggio delle radiazioni nocive provenienti dallo spazio. Il suo spessore è pari a circa 500 km, sebbene nei primi 16 km siano concentrati i 9/10 della sua massa. 
L'atmosfera è un sistema dinamico, con i propri costituenti in continuo scambio con la vegetazione, gli oceani, gli organismi biologici e con continue immissioni derivanti da sorgenti di tipo naturale ed antropico. A queste ultime è imputabile la maggior parte dei rapidi cambiamenti nelle concentrazioni dei componenti atmosferici (gas in traccia e aerosol) degli ultimi duecento anni, dovuti principalmente all'utilizzo di combustibili fossili per energia e trasporti, alle attività industriali e agricole, agli incendi e alle deforestazioni.
 
  
Struttura dell'atmosfera terrestre
I diversi strati dell'atmosfera vengono generalmente classificati in funzione dell'andamento della temperatura al crescere della quota. Tale andamento viene definito gradiente termico verticale che, in funzione delle variazioni di temperatura concordi o discordi in segno al variare della quota, può essere positivo (la temperatura aumenta al crescere della quota) o negativo (la temperatura diminuisce all'aumentare della quota).
La suddivisione secondo il gradiente termico verticale individua quattro strati fondamentali dell'atmosfera che, dal basso verso l'alto, sono così denominati: troposfera, stratosfera, mesosfera e termosfera. Ciascuno strato risulta separato dal successivo da una regione di atmosfera isoterma (ovvero a temperatura costante) (Figura 1).
Figura 1 - Struttura verticale dell'atmosfera terrestre.
- La troposfera è la parte più interna dell'atmosfera, a diretto contatto con la superficie terrestre da cui risulta notevolmente influenzata. La troposfera presenta una temperatura media globale di 15°C al livello del mare, che diminuisce con l'altitudine (6.5°C ogni km di quota) fino a circa -56°C. Il suo spessore varia con la latitudine: ai poli è spessa 6-8 km mentre raggiunge i 15-18 km all'equatore. La troposfera contiene circa l'80% della massa d'aria terrestre e praticamente tutto il vapore acqueo atmosferico; in essa hanno luogo i principali processi fisico-chimici che consentono la vita vegetale e animale sulla Terra. La troposfera è separata dallo strato superiore da una sottile fascia di transizione detta tropopausa.
 
- La stratosfera è caratterizzata da un primo strato di circa 10 km di spessore, in cui la temperatura resta pressoché costante con la quota e da uno successivo di spessore pari a 25-30 km, nel quale la temperatura aumenta progressivamente fino al valore di 0°C. Questo è dovuto alla presenza di uno strato di ozono (ozonosfera), posto ad una quota di 22 km sul livello del mare (s.l.m.), la cui concentrazione aumenta con la quota fino a raggiungere un massimo a circa 50 km s.l.m., dove contestualmente si raggiunge il picco di temperatura. La temperatura minima in stratosfera si registra, invece, negli strati più bassi con valori dell'ordine di -70°C sopra all'equatore, -50 ÷ -60°C al Polo Nord e -80°C al Polo Sud. La stratosfera è separata dallo strato superiore da una sottile fascia di transizione detta stratopausa.
 
- La mesosfera, il cui nome significa "media atmosfera", si estende fino ad una quota di circa 80-85 km s.l.m.. In essa si osserva la scomparsa rapida del biossido di carbonio con la quota ed una più veloce diminuzione delle percentuali di vapore acqueo e ossigeno presenti. Aumenta, invece, la presenza di gas leggeri quali elio ed idrogeno. Poiché manca l'effetto riscaldante dell'ozono, la sua temperatura decresce con la quota fino a raggiungere il valore di -80°C, temperatura caratteristica della mesopausa, ovvero lo strato di transizione tra la mesosfera e la termosfera.
 
- La termosfera si estende in altezza per diverse centinaia di chilometri ed è caratterizzata da notevoli oscillazioni di temperatura tra il giorno e la notte. In questa zona i gas presenti sono talmente rarefatti che è più opportuno parlare di atomi e molecole. La temperatura cinetica delle particelle in questo strato aumenta con la quota fino a raggiungere i 1700ºC al suo limite esterno. La composizione chimica è caratterizzata da una predominanza di azoto e ossigeno, fino a circa 500 km di quota, al di sopra della quale prevalgono elio e idrogeno.


Composizione chimica dell'atmosfera terrestre
L'atmosfera terrestre è costituita da una miscela di gas, da vapore acqueo e da aerosol. La miscela di gas (anche indicata come "aria secca") è composta principalmente da azoto (N2), ossigeno (O2) e argon (Ar), a cui si aggiungono numerosi costituenti minori quali, ad esempio, anidride carbonica (CO2), neon (Ne), elio (He) e metano (CH4). Tali gas, a causa dei continui rimescolamenti a cui l'atmosfera è sottoposta, sono presenti in concentrazioni pressoché costanti fino a circa 100 km s.l.m. (Tabella 1).

Tabella1 - Composizione chimica dell'aria secca. Le concentrazioni dei gas sono espresse in percentuale in volume (%) o in parti per milione in volume (ppmv)(1), a seconda che si tratti di costituenti maggiori (azoto, ossigeno e argon) o minori.


Oltre i 100 km di quota s.l.m., i gas sono molto rarefatti e si dispongono a strati in base alla loro densità comportando una non uniformità nella composizione chimica dell'atmosfera.
Il vapore acqueo è presente prevalentemente in troposfera in percentuali variabili tra lo 0% e il 5-6% in volume. Sebbene esso si trovi in atmosfera in quantità molto piccole e variabili, ne rappresenta uno dei componenti più importanti in quanto dalla sua condensazione(2)  hanno origine tutti i fenomeni meteorologici. 
Gli aerosol atmosferici, infine, sono particelle solide o liquide sospese in atmosfera di diametro compreso tra 10-3 e 102 micron. Essi sono presenti in quantità variabili nello spazio e nel tempo e si trovano confinati quasi del tutto nello strato più denso, la troposfera.

 
Referenze
- Andrews, D. G., An introduction to atmospheric Physics, Cambridge University Press, 2000.
- Brimblecombe, P., Air Composition and Chemistry, Cambridge University Press, 1986/1996.
- Seinfeld, J. H., Pandis S. N., Atmospheric Chemistry and Physics, John Wiley & Sons, INC., 1998.

Note
(1) Parti per milione in volume (ppmv): numero di parti (unità di volume) del gas in esame presenti in un milione di parti (ppm, 106 unità di volume) della miscela gassosa.
(2) Passaggio di stato di un aeriforme da vapore a liquido.