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Cambiamenti climatici - Atmosfera

L’aria della Terra ha una composizione che potrebbe essere definita “improbabile”. Perché? Sembrerà strano, ma la cosa più sorprendente è proprio la presenza di ossigeno libero. Ogni altro pianeta fin ad ora analizzato ha un'atmosfera di gas riducenti, mentre la Terra ha un’aria ossidante. Si pensi che se la concentrazione di ossigeno sul pianeta fosse superiore di anche solo il 10%, gli incendi avrebbero una frequenza altissima: l’ossigeno è un elemento indispensabile alla vita, ma a causa della sua affinità con gli elettroni, possiede una elevata reattività chimica, infatti combinandosi con altri atomi ed ossidandoli libera ingenti quantità di energia. Inoltre, se vi fosse una concentrazione maggiore di biossido di carbonio, questa potrebbe essere tossica. Tutta la vita sulla Terra sembra essere organizzata proprio per adattarsi alla presente mistura atmosferica, ma nello stesso tempo per “mantenerla”: l’atmosfera, probabilmente, non potrebbe essere mantenuta, infatti, se non fosse per i processi vitali negli ambienti umidi anossici.

L'atmosfera attuale della Terra è composta principalmente da azoto (78,08%) e ossigeno (20,94%), e contiene in quantità minori argo (0,934%) e anidride carbonica (0,035%) (i valori si riferiscono alla composizione media dell’aria pura e secca negli strati più bassi dell’atmosfera); su tempi geologici sembra molto probabile che la concentrazione di azoto, ossigeno e anidride carbonica sia stata determinata proprio dalla vita, in quanto tutti e tre i gas sono manipolati dagli organismi viventi negli ecosistemi. Nell’aria sono presenti anche percentuali variabili di vapore acqueo, neon, elio, metano, cripton, idrogeno, protossido di azoto, ozono e xenon. Le percentuali di vapore acqueo sono comprese tra lo 0% ed il 4%, a seconda della temperatura dell’aria e della umidità disponibile. L’aria contiene in sospensione anche piccole particelle solide e goccioline liquide, dette collettivamente aerosol, che svolgono un ruolo importante nel bilancio energetico della Terra e nella produzione della pioggia.

Per quanto riguarda la sua struttura, l’atmosfera presenta quattro zone distinte di differenti temperature (a seconda del differente assorbimento di energia solare). La troposfera (che si estende tra 18 km sopra l’equatore e 8 sui poli) è lo strato più vicino alla superficie terrestre, in cui l’aria circola in correnti convettive, flussi di aria ascendente e discendente, ed è molto densa perché contiene il 75% della massa totale dell’atmosfera (le molecole sono trattenute in essa dalle forza di gravità terrestre). Al crescere dell’altitudine diminuisce la temperatura, fino a giungere a -60°C nell’alta troposfera. Il brusco cambiamento di temperatura crea una zona di transizione tra la prima e la seconda zona detta tropopausa (limita il mescolamento tra troposfera e strati superiori).

Dalla troposfera in poi si estende la stratosfera fino ad una quota di 50 km. È una zona rarefatta ed essenzialmente calma, in cui il mescolamento è così piccolo che ceneri vulcaniche o contaminanti immessi dall’attività dell’uomo possono rimanervi in sospensione per anni. Nelle zone più alte della stratosfera avviene l’assorbimento delle radiazioni solari ultraviolette ad opera dello strato di O3 (ozono), assorbimento protettivo per la vita sulla superficie terrestre.

La terza zona è detta mesosfera (tra 50 e 80 Km), e anche dopo di questa vi è una zona di transizione detta mesopausa.

La quarta zona è la termosfera: si estende al di sopra della stratosfera, ad una quota di circa 80 km. È ricca di gas carichi elettricamente, riscaldati da radiazioni solari e cosmiche ad alta energia: gli impulsi ad alta energia colpendo le particelle cariche elettricamente (ioni), inducono il fenomeno delle aurore boreali ed australi.

Il limite dell’atmosfera non è netto: salendo di quota diminuiscono pressione e densità, fino a divenire indistinte da quelle del vuoto dello spazio interstellare ad una distanza dalla superficie terrestre di circa 1600 km.

Questo è quanto sappiamo dell’atmosfera che oggi avvolge il nostro pianeta, ma l’aria che ci circonda non è sempre stata così: infatti, ha subito un’evoluzione nel corso di milioni di anni.

L’attuale atmosfera, l’involucro gassoso che avvolge il nostro pianeta, è il risultato di 4,5 miliardi di anni di evoluzione. La Terra possiede un involucro di aria solo da tre miliardi di anni ed i gas che lo compongono (in particolar modo l’ossigeno), hanno raggiunto le attuali proporzioni meno di un miliardo di anni fa. Come altri pianeti del sistema solare, quando la Terra si consolidò era avvolta da gas più leggeri, idrogeno ed elio, i quali tuttavia si sono ben presto dispersi negli spazi cosmici per effetto del vento solare, dato che la forza gravitazionale terrestre risultava troppo debole per trattenerli in maniera stabile, come accade su Giove e Saturno. Questo primo involucro gassoso fu sostituito, quindi, da imponenti masse di gas scaturite, per effetto dell’intenso vulcanismo crostale, dalle viscere del pianeta; fra i componenti di questi gas vi erano ammoniaca, metano, azoto e vapore acqueo. Con il raffreddamento della crosta, il vapore acqueo precipitava depositandosi nei primi oceani. In questo ambiente nacque la vita, attraverso la formazione di composti chimici sempre più complessi e capaci di auto aggregarsi. I primi viventi, organismi submicroscopici capaci di utilizzare le molecole formatesi spontaneamente negli oceani caldi, popolavano i fanghi o le acque non superficiali, visto che non avevano protezione verso la  forte radiazione ultravioletta solare. Più tardi, da questi organismi, si sono evoluti i primi organismi autotrofi, alghe unicellulari (simili alle attuali Cianofite) capaci di sfruttare l’energia solare, mediante la clorofilla, per costruire nuova sostanza organica: il processo della fotosintesi è tutt’ora esplicato da tutte le piante verdi, nonché dalle Cianofite e da alcuni batteri muniti di clorofilla.

La fotosintesi scinde l’acqua utilizzandone l’idrogeno e liberando ossigeno molecolare (O2), che cominciò a depositarsi nell’atmosfera con il progredire dell’attività dei microrganismi fotosintetici. Era tossico per numerosi viventi adattati ad un mondo senza ossigeno, che si estinsero; altri trovarono il modo di adoperare questo gas per ossidare gli elementi e ricavarne energia. In questo modo, con l’avvento dell’ossigeno atmosferico, subirono un forte sviluppo gli organismi in grado di utilizzarlo, fra i quali i progenitori delle specie animali e vegetali attuali.

Fino a circa un miliardo di anni fa, la quantità di ossigeno presente nell’atmosfera era troppo bassa per consentire attività dispendiose dal punto di vista energetico: i viventi erano tutti di piccole dimensioni ed i rappresentanti del mondo animale erano poco mobili o fissi sui fondali. Più tardi l’ossigeno atmosferico, modificato dagli ultravioletti negli strati più alti dell’atmosfera, formò la coltre di ozono che proteggeva la superficie terrestre dai nocivi raggi ultravioletti. I viventi poterono, quindi, diffondersi sia alla superficie delle acque che sulla terraferma, dove il mondo vegetale si evolveva producendo foreste lussureggianti. Queste producevano nuovo ossigeno, fino a che la proporzione di tale gas nella bassa atmosfera fu tale da consentire lo sviluppo di animali di maggiori dimensione, sia in mare che sulla terraferma. Fra questi, il maggiore sviluppo evolutivo è spettato ai vertebrati, i quali, prima con i rettili (nel Mesozoico), poi con i mammiferi (Cenozoico), hanno prodotto le specie dominanti sia per dimensioni (si pensi ai dinosauri, ai cetacei, agli elefanti), sia per organizzazione (si pensi ai primati ed all’uomo).

La storia dell’atmosfera si interseca strettamente con quella dei viventi, a riprova che il mondo naturale ha una sua struttura unitaria ed i cambiamenti che si svolgono in un settore si ripercuotono a catena in tutti gli altri, producendo un’incessante evoluzione delle componenti abiologiche e biologiche del pianeta.