La parte respirabile dell'atmosfera della Terra è una pellicola molto sottile: se il nostro pianeta fosse una sfera di 12 metri di diametro (anziché 12.000.000 di metri, 12.000 km), la pellicola respirabile sarebbe spessa 4 millimetri. Sono approssimazioni, naturalmente, ma è un fatto che la maggior parte di noi si troverebbe in grosse difficoltà attorno ai 4.000-4.500 metri d'altezza (ben prima di arrivare in cima al Monte Bianco), se non debitamente preparata o equipaggiata, perché a quella quota l'ossigeno è già troppo rarefatto. Ci sono, è vero, anche pochi super atleti capaci di arrivare senza bombole fino in cima all'Everest, a 8.848 metri sul livello del mare (Reinhold Messner e Peter Habeler sono stati i primi, nel 1978), ma sono appunto pochi e super allenati.
L'atmosfera respirabile è un mix di azoto (78%), ossigeno (21%), argon (0,9%) e poi tracce di anidride carbonica, idrogeno e altri elementi
La parte respirabile è però solo una piccola frazione di quella che dobbiamo considerare "atmosfera", che nella sua totalità è uno strato gassoso di composizione variabile (a seconda dell'altezza) che si estende in modo asimmetrico addirittura fin oltre la Luna.
Uno studio recente, pubblicato su JGR: Space Physics, condotto sui dati raccolti tra 1996 e il 1998 dallo strumento Solar Wind Anisotropies (SWAN) del telescopio spaziale Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), dimostra infatti che si possono rilevare particelle della nostra atmosfera (meno di 0,02 atomi di idrogeno per centimetro cubo) fino a 630.000 km dal pianeta. È la geocorona: nulla di neanche lontanamente respirabile, ma pur sempre particelle di Terra.
Di quanti e quali strati è fatta la nostra atmosfera?
Una prima sintesi. Questo involucro gassoso è un insieme regioni dai confini decisamente fluidi, che suddividiamo in due parti principali.
1: bassa atmosfera. Dalla superficie del pianeta e fino a circa 100 chilometri di altezza abbiamo la bassa atmosfera, detta anche omosfera perché la sua composizione chimica è abbastanza omogenea: i moti dell'aria in questa regione rimescolano i gas mantenendo più o meno costante il rapporto tra i suoi vari costituenti.
2: alta atmosfera. Al di sopra dei 100 chilometri c'è l'alta atmosfera, detta anche eterosfera perché non è uniforme: i gas sono estremamente rarefatti e sono stratificati a seconda della loro densità.
Vi sono però anche suddivisioni basate su criteri differenti. In base all'andamento della temperatura con l'aumentare dell'altezza, l'Organizzazione meteorologica mondiale (WMO: World Meteorological Organization) identifica cinque strati: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera, esosfera. In base invece alle caratteristiche elettriche e magnetiche, dividiamo la parte superiore dell'atmosfera in ionosfera e magnetosfera.
In dettaglio: i primi 100 km
Le variazioni della temperatura nella bassa atmosfera, all'aumentare dell'altezza, seguono un andamento irregolare.
Partendo dalla superficie del pianeta, la temperatura, che per convenzione ha, al suolo, un valore medio globale di 15 °C, decresce velocemente fino a circa -50 °C a 20 chilometri di quota. Più sopra la temperatura prende invece a crescere e raggiunge i +17 °C poco sopra i 50 chilometri; continuando a salire la temperatura torna nuovamente a scendere e a circa 90 chilometri di altezza (quasi al limite della bassa atmosfera) siamo a -73 °C.
Le tre zone definite dalle temperature sono (dal basso verso l'alto): troposfera, stratosfera e mesosfera. I confini tra l'una e l'altra, sempre fluidi, sono le pause: tropopausa (tra troposfera e stratosfera), stratopausa (tra stratosfera e mesosfera) e mesopausa (tra bassa e alta atmosfera).
La troposfera: è la parte più bassa, a contatto con la superficie terrestre. In questa per noi delicata regione si trovano circa i 3/4 del totale dei gas atmosferici e praticamente tutto il vapore acqueo. Il suo spessore non è omogeneo attorno alla Terra: va da un minimo di circa 6-8 chilometri sopra i poli fino a circa 18 chilometri sopra l'equatore. Il suo limite superiore è rappresentato dal cosiddetto minimo termico (-50 °C) della tropopausa.
Nella troposfera si verificano movimenti di grandi masse di aria in senso orizzontale (i venti) e verticale (le correnti ascensionali): il nome di questa regione, che deriva dal greco trópos (rivolgimento), indica proprio questa caratteristica. I venti si muovono su distanze rilevanti, anche di migliaia di chilometri, mentre le correnti ascensionali sono limitate allo spessore della troposfera stessa.
La stratosfera: sopra la tropopausa comincia uno strato atmosferico relativamente "tranquillo" fino a circa 50 chilometri di altezza (dove termina nella stratopausa): i movimenti verticali dell'aria sono rari, perciò questa parte dell'atmosfera si presenta (appunto) stratificata. In questa regione la quantità di vapore acqueo è molto bassa e solo in rare occasioni si sono viste, a 20-30 chilometri d'altezza, sottili formazioni iridescenti chiamate nubi madreperlacee, formate probabilmente da aghetti minuti di ghiaccio.
La temperatura alla base della stratosfera si mantiene più o meno uguale a quella della regione di confine sottostante (la tropopausa) fino a circa 20 chilometri di quota (dalla superficie terrestre), per poi cominciare a salire con un gradiente variabile (a balzi) da 0,1 a 0,3 °C ogni 100 metri finché, nella regione di confine superiore, la stratopausa (a 50 chilometri circa dalla superficie), si hanno circa 17 °C.
Il meccanismo che, salendo di quota, porta da 50 gradi sottozero a +17 °C non è del tutto chiaro, ma l'ipotesi più condivisa imputa il fenomeno alla concentrazione relativamente alta di ozono (trioxygen nella nomenclatura IUPAC) nella regione centrale della stratosfera - che per questo prende il nome di ozonosfera.
L'ozono è ossigeno triatomico (O3), costituito cioè da tre atomi di ossigeno - anziché da due, come nell'aria che respiriamo. È un gas instabile, che si forma e si scinde per interazione con le radiazioni ultraviolette della luce solare sull'ossigeno molecolare (O2) in un processo continuo che rilascia calore - e che perciò sarebbe l'origine dell'aumento di temperatura di questa regione dell'atmosfera.
La mesosfera: sopra alla stratosfera e alla stratopausa c'è infine la mesosfera, che termina poco oltre i 90 chilometri di quota nella mesopausa: quest'ultima fa separazione tra la bassa atmosfera e l'alta atmosfera. Nella mesosfera la temperatura nuovamente decresce con l'altezza fino a circa -73 °C al suo livello più alto. Attorno ai 70-80 chilometri di altezza o poco più possono formarsi le sottili e brillanti nubi nottilucenti, che testimoniano sporadici fenomeni di rimescolamento anche in quella regione estremamente rarefatta dell'atmosfera.
Oltre i 100 km: l'alta atmosfera. L'alta atmosfera si presenta non omogenea nella composizione chimica perché i gas che la costituiscono tendono a stratificarsi a seconda della loro densità.
Tra i 100 e i 200 chilometri di quota è predominante l'azoto molecolare (N2); tra i 200 ed i 1.100 chilometri abbiamo fondamentalmente ossigeno monoatomico (O) prodotto dalla scissione delle molecole di ossigeno biatomico (O2) per interazione con la radiazione solare; tra i 1.100 e i 3.500 chilometri abbiamo lo strato dell'elio (He); infine, sopra i 3.500 chilometri e (come abbiamo scoperto di recente) fino a circa 630.000 chilometri abbiamo idrogeno (H), in concentrazioni sempre più basse finché quella che abbiamo fin qui chiamato atmosfera della Terra si stempera definitivamente nel vuoto interplanetario.
Nell'alta atmosfera la temperatura riprende a crescere regolarmente, tanto che si distingue una termosfera, fino a 400-500 chilometri di quota, e una esosfera, che arriva fino al limite più periferico dell'atmosfera.
In questa regione si superano i 1500 °C nella parte più alta, ma il significato di temperatura non è quello che usiamo nella quotidianità: è una temperatura cinetica, ossia una misura dell'energia cinetica media delle molecole del gas rarefatto di quelle altezze. Un ipotetico termometro posto a 200 km di altezza segnerebbe invece una temperatura di molto inferiore ai 0 °C. Un semplice esperimento può aiutare a visualizzare il fenomeno: se accendiamo un fiammifero in una cella frigorifera, la fiamma sarà ovviamente molto calda, ma "lo spazio" circostante sarà comunque sottozero.
Altre suddivisioni: ionosfera e magnetosfera
La descrizione finora fatta delle regioni dell'atmosfera si basa sulla composizione chimica e sulle variazioni di temperatura. Un'altra proprietà fisica dell'atmosfera è la presenza, soprattutto dai 100 km in su, di piccole quantità di particelle elettricamente cariche. Da questa "struttura elettrica" dipendono le aurore boreali, la riflessione delle onde radio e le interazioni con il vento solare, che fluisce dal Sole nello Spazio interplanetario in cui la Terra stessa si muove.
Le particelle ionizzate al di sopra degli 80 chilometri permettono di definire la regione detta ionosfera, comprendente la parte più alta della bassa atmosfera (la mesopausa) e l'alta atmosfera fino a circa 500 chilometri di quota. Oltre i 500 chilometri entriamo invece nella magnetosfera, la regione di influenza del campo magnetico della Terra, che ha forma allungata e asimmetrica perché plasmata dalla pressione del vento solare.
