Scienze della Terra

Obiettivi della lezione

• Elenca i principali strati dell’atmosfera e le loro temperature.
• Discutere perché tutto il tempo si svolge nella troposfera.
• Discutere di come lo strato di ozono protegge la superficie dalle radiazioni nocive.,

il Vocabolario

• aurora
• exosphere
• inversione
• ionosfera
• magnetosfera
• mesosphere
• strato di ozono
• vento solare
• stratosfera
• gradiente di temperatura
• thermosphere
• troposfera

Introduzione

L’atmosfera è a strati, corrispondente con l’atmosfera variazioni di temperatura con la quota. Comprendendo il modo in cui la temperatura cambia con l’altitudine, possiamo imparare molto su come funziona l’atmosfera., Mentre il tempo si svolge nell’atmosfera inferiore, cose interessanti, come la bella aurora, accadono più in alto nell’atmosfera.

Temperatura dell’aria

Perché l’aria calda aumenta (figura sopra)? Le molecole di gas sono in grado di muoversi liberamente e se sono incontrastate, come sono nell’atmosfera, possono occupare più o meno spazio.

• Quando le molecole di gas sono fredde, sono lente e non occupano tanto spazio., Con lo stesso numero di molecole in meno spazio, sia la densità dell’aria che la pressione dell’aria sono più alte.
• Quando le molecole di gas sono calde, si muovono vigorosamente e occupano più spazio. La densità dell’aria e la pressione dell’aria sono inferiori.

L’aria più calda e più leggera è più vivace dell’aria più fredda sopra di essa, quindi sale. L’aria più fredda poi affonda, perché è più densa dell’aria sottostante. Questa è la convezione, che è stata descritta nel capitolo della tettonica a placche.

La proprietà che cambia in modo più sorprendente con l’altitudine è la temperatura dell’aria., A differenza del cambiamento di pressione e densità, che diminuiscono con l’altitudine, i cambiamenti della temperatura dell’aria non sono regolari. Un cambiamento di temperatura con la distanza è chiamato gradiente di temperatura.

L’atmosfera è divisa in strati in base a come la temperatura in quel livello cambia con l’altitudine, il gradiente di temperatura del livello (Figura sotto). Il gradiente di temperatura di ogni strato è diverso. In alcuni strati, la temperatura aumenta con l’altitudine e in altri diminuisce. Il gradiente di temperatura in ogni strato è determinato dalla fonte di calore dello strato (Figura sotto).,

La maggior parte dei processi importanti dell’atmosfera si svolgono nei due strati più bassi: la troposfera e la stratosfera.,

Troposfera

La temperatura della troposfera è più alta vicino alla superficie della Terra e diminuisce con l’altitudine. In media, il gradiente di temperatura della troposfera è di 6,5°C per 1.000 m (3,6 ° F per 1.000 ft.) di altitudine. Qual è la fonte di calore per la troposfera?

La superficie terrestre è una delle principali fonti di calore per la troposfera, anche se quasi tutto il calore proviene dal Sole. Roccia, suolo e acqua sulla Terra assorbono la luce del Sole e la irradiano nell’atmosfera come calore., La temperatura è anche più alta vicino alla superficie a causa della maggiore densità di gas. La maggiore gravità provoca l’aumento della temperatura.

Si noti che nella troposfera l’aria più calda è sotto l’aria più fredda. Quale pensi che sia la conseguenza di questo? Questa condizione è instabile. L’aria calda vicino alla superficie sale e l’aria fresca più in alto nella troposfera affonda. Quindi l’aria nella troposfera si mescola molto. Questa miscelazione fa sì che il gradiente di temperatura vari con il tempo e il luogo., L’aumento e l’affondamento dell’aria nella troposfera significa che tutto il tempo del pianeta si svolge nella troposfera.

A volte c’è un’inversione di temperatura, la temperatura dell’aria nella troposfera aumenta con l’altitudine e l’aria calda si siede sull’aria fredda. Le inversioni sono molto stabili e possono durare per diversi giorni o addirittura settimane. Inversioni modulo:

• Su terra di notte o in inverno quando il terreno è freddo. Il terreno freddo raffredda l’aria che si trova sopra di esso, rendendo questo basso strato d’aria più denso dell’aria sopra di esso.
• Vicino alla costa dove l’acqua di mare fredda raffredda l’aria sopra di essa., Quando quell’aria più densa si muove verso l’interno, scivola sotto l’aria più calda sulla terra.

Poiché le inversioni di temperatura sono stabili, spesso intrappolano gli inquinanti e producono condizioni d’aria malsane nelle città (Figura sotto).

Nella parte superiore della troposfera c’è uno strato sottile in cui la temperatura non cambia con l’altezza., Ciò significa che l’aria più fresca e più densa della troposfera è intrappolata sotto l’aria più calda e meno densa della stratosfera. L’aria dalla troposfera e dalla stratosfera raramente si mescola.

Stratosfera

Cenere e gas da una grande eruzione vulcanica possono scoppiare nella stratosfera, lo strato sopra la troposfera. Una volta nella stratosfera, rimane sospeso lì per molti anni perché c’è così poca mescolanza tra i due strati. Ai piloti piace volare nelle parti inferiori della stratosfera perché c’è poca turbolenza dell’aria.,

Nella stratosfera, la temperatura aumenta con l’altitudine. Qual è la fonte di calore per la stratosfera? La fonte di calore diretta per la stratosfera è il Sole. L’aria nella stratosfera è stabile perché l’aria più calda e meno densa si trova su un’aria più fredda e più densa. Di conseguenza, c’è poca miscelazione di aria all’interno dello strato.

Lo strato di ozono si trova all’interno della stratosfera tra 15 e 30 km (da 9 a 19 miglia) di altitudine. Lo spessore dello strato di ozono varia in base alla stagione e anche alla latitudine.,

Lo strato di ozono è estremamente importante perché il gas ozono nella stratosfera assorbe la maggior parte delle radiazioni ultraviolette nocive del Sole (UV). Per questo motivo, lo strato di ozono protegge la vita sulla Terra. La luce UV ad alta energia penetra nelle cellule e danneggia il DNA, portando alla morte cellulare (che conosciamo come una brutta scottatura solare). Gli organismi sulla Terra non sono adatti a una forte esposizione ai raggi UV, che li uccide o li danneggia. Senza lo strato di ozono per riflettere le radiazioni UVC e UVB, la vita più complessa sulla Terra non sopravviverebbe a lungo (Figura sotto).,

Mesosfera

Le temperature nella mesosfera diminuiscono con l’altitudine. Poiché ci sono poche molecole di gas nella mesosfera per assorbire la radiazione del Sole, la fonte di calore è la stratosfera sottostante. La mesosfera è estremamente fredda, specialmente nella sua parte superiore, circa -90°C (-130°F).

L’aria nella mesosfera ha una densità estremamente bassa: il 99,9% della massa dell’atmosfera è al di sotto della mesosfera., Di conseguenza, la pressione dell’aria è molto bassa (Figura sotto). Una persona che viaggia attraverso la mesosfera sperimenterebbe gravi ustioni dalla luce ultravioletta poiché lo strato di ozono che fornisce protezione UV si trova nella stratosfera sottostante. Non ci sarebbe quasi ossigeno per respirare. Ancora più strano, il sangue di un viaggiatore non protetto bollirebbe a temperatura corporea normale perché la pressione è così bassa.

Termosfera e oltre

La densità delle molecole è così bassa nella termosfera che una molecola di gas può percorrere circa 1 km prima di scontrarsi con un’altra molecola. Poiché viene trasferita così poca energia, l’aria si sente molto fredda (Figura sopra).

All’interno della termosfera c’è la ionosfera., La ionosfera prende il nome dalla radiazione solare che ionizza le molecole di gas per creare uno ion caricato positivamente e uno o più elettroni caricati negativamente. Gli elettroni liberati viaggiano all’interno della ionosfera come correnti elettriche. A causa degli ioni liberi, la ionosfera ha molte caratteristiche interessanti.

Di notte, le onde radio rimbalzano dalla ionosfera e tornano sulla Terra. Questo è il motivo per cui spesso è possibile prendere una stazione radio AM lontano dalla sua fonte di notte.,

Le cinghie di radiazione di Van Allen sono due zone a forma di ciambella di particelle altamente cariche che si trovano oltre l’atmosfera nella magnetosfera. Le particelle hanno origine nei brillamenti solari e volano sulla Terra sul vento solare. Una volta intrappolati dal campo magnetico terrestre, seguono le linee magnetiche di forza del campo. Queste linee si estendono da sopra l’equatore al Polo Nord e anche al Polo Sud per poi tornare all’equatore.,

Quando massicce tempeste solari causano il sovraccarico di particelle delle cinture di Van Allen, il risultato è la caratteristica più spettacolare della ionosfera: l’aurora notturna (Figura sotto). Le particelle spirale lungo le linee del campo magnetico verso i poli. Le particelle cariche eccitano le molecole di ossigeno e gas di azoto, facendole illuminare. Ogni gas emette un particolare colore di luce.

Non esiste un vero limite esterno all’esosfera, lo strato più esterno dell’atmosfera; le molecole di gas diventano finalmente così scarse che ad un certo punto non ce ne sono più. Oltre l’atmosfera c’è il vento solare. Il vento solare è fatto di particelle ad alta velocità, per lo più protoni ed elettroni, che viaggiano rapidamente verso l’esterno dal Sole.

Questo video è molto approfondito nella sua discussione degli strati dell’atmosfera., Ricorda che la composizione chimica di ogni strato è quasi la stessa tranne che per lo strato di ozono che si trova nella stratosfera (8a): http://www.youtube.com/watch?v=S-YAKZoy1A0 (6:44).

KQED: Illuminare l’aurora boreale

Come sarebbe il campo magnetico terrestre se fosse dipinto a colori? Sembrerebbe l’aurora! Questo video di RICERCA guarda l’aurora, che fornisce indizi sul vento solare, sul campo magnetico terrestre e sull’atmosfera terrestre. Ulteriori informazioni su: http://science.kqed.org/quest/video/illuminating-the-northern-lights/.,

Riassunto della lezione

• Caratteristiche dell’atmosfera cambiano con l’altitudine: la densità diminuisce, la pressione dell’aria diminuisce, le variazioni di temperatura variano.
• Diversi gradienti di temperatura creano diversi strati all’interno dell’atmosfera.
• Lo strato più basso è la troposfera dove si trovano la maggior parte dei gas atmosferici e tutto il tempo del pianeta. La troposfera viene riscaldata da terra, quindi la temperatura diminuisce con l’altitudine. Poiché l’aria calda sale e l’aria fredda affonda, la troposfera è instabile.,
• Nella stratosfera, la temperatura aumenta con l’altitudine. La stratosfera contiene lo strato di ozono, che protegge il pianeta dalle radiazioni UV dannose del Sole.

Domande di revisione

1. Fornire una spiegazione dettagliata del motivo per cui l’aria calda sale.
2. Perché la temperatura dell’aria non cambia in modo uniforme con l’altitudine? Dare esempi.
3. Descrivi come il terreno agisce come fonte di calore per la troposfera. Qual è la fonte di energia e cosa succede a quell’energia?
4. Quanto è stabile un’inversione e perché? Come si forma un’inversione?,
5. Phoenix, Arizona, è una città nel deserto sud-occidentale. Le estati sono estremamente calde. Le giornate invernali sono spesso abbastanza calde, ma le notti invernali possono essere piuttosto fredde. A dicembre, le inversioni sono abbastanza comuni. Come si forma un’inversione in queste condizioni e quali sono le conseguenze di un’inversione in questa città tentacolare e dipendente dall’auto?
6. Perché l’aria dalla troposfera e dalla stratosfera non può mescolarsi liberamente?
7. Qual è la fonte di calore per la stratosfera? Come viene assorbito il calore?
8. Descrivere la creazione di ozono e la perdita nello strato di ozono. Uno si verifica più dell’altro?,
9. Come e dove vengono create le “stelle cadenti”?
10. Perché il sangue di un viaggiatore non protetto dovrebbe bollire nella mesosfera?

Ulteriori letture/Collegamenti supplementari

• NASA, Il mistero dell’Aurora:http://www.youtube.com/watch?v=PaSFAbATPvk.

Punti da considerare

• In che modo l’energia solare crea gli strati dell’atmosfera?
• In che modo l’energia solare crea il tempo?
• Cosa accadrebbe alla vita sulla Terra se ci fosse meno ozono nello strato di ozono?