La formazione e l'evoluzione delle atmosfere

I corpi del sistema solare si distinguono uno dall'altro anche per la presenza o meno di atmosfera. Tutti i pianeti - escluso Mercurio - e due satelliti - Titano (Saturno) e Tritone (Nettuno) - hanno un'atmosfera; la Luna non ne ha una ma Tritone, che ha la stessa massa, la possiede. Ganimede non ha atmosfera mentre Titano, che è leggermente più piccolo, ha un'atmosfera più densa di quella della Terra. Si chiama atmosfera, quindi, il guscio che circonda numerosi corpi celesti. E' facile definire l'atmosfera dei pianeti "terrestri", solidi: è la massa di gas situata al di sopra della superficie del pianeta. Ma definire l'atmosfera dei pianeti gassosi è più complicato: infatti questi sono costituiti da gas che è in forma liquida immediatamente al di sopra del nucleo e in forma gassosa nelle parti più esterne. Si può quindi utilizzare la definizione usata per le atmosfere stellari: l'atmosfera è il luogo dove i fotoni "volano" (si muovono molto velocemenete) mentre nell'interno stellare "camminano". Infatti, per raggiungere la superficie partendo dal centro del Sole, ad esempio, i fotoni impiegano più di un milione di anni, dopo aver subito molte interazioni, mentre il cammino tra la superficie del Sole e la Terra viene percorso in solo otto minuti (v. figura a lato). Per esprimere l'esempio appena fatto in modo più corretto (e complicato) si può dire che l'atmosfera (di una stella o di un pianeta gassoso) è il luogo dove le interazioni radiazione-materia sono rare, mentre l'interno (stellare o planetario) è il luogo dove queste interazioni sono molto frequenti. Un pianeta può acquisire un'atmosfera essenzialmente in due modi: può averla dalle sue origini, ad esempio se il pianeta è il risultato di aggregazione di piccoli corpi immersi in un gas, e in questo caso è detta primordiale o catturata; può anche costituirla per emissioni gassose provenienti dall'interno del pianeta e in questo caso è detta secondaria.

Il fatto che inizialmente sia presente uno strato di gas attorno al pianeta non è una condizione sufficiente perchè il pianeta abbia un'atmosfera: un corpo celeste può trattenere un'atmosfera solo se le molecole che la compongono si muovono meno velocemente della velocità di fuga. Perchè succeda questo, il corpo deve essere sufficentemente grande e freddo.

Il ruolo dell'altezza
L'atmosfera della Terra è la sede di fenomeni complessi che non sono stati ancora del tutto compresi. Malgrado questo, però, con alcune ipotesi semplificatrici l'atmosfera può essere descritta in modo relativamente semplice. Infatti, se la consideriamo costituita da un gas perfetto, il suo stato può essere descritto da un'equazione semplice che lega la pressione, il volume (o la densità e la massa) e la temperatura (equazione di stato dei gas perfetti);

La suddivisione dell'atmosfera terrestre
Tradizionalmente l'atmosfera della Terra si divide in diversi gusci, in funzione della sorgente di energia dominante e della distanza dalla superficie:

Troposfera
Contiene il 90% della massa della Terra ed è la sede dei fenomeni meteorologici. Viene riscaldata dall'irraggiamento infrarosso del suolo e la temperatura decresce con l'altezza. Si estende in altezza fino a 10-15 km. L'aria riscaldata sale, si raffredda e scende verso verso il suolo dove viene nuovamente riscaldata e sale raffreddandosi, e così via, originando un rimescolamento continuo. La temperatura scende di circa 6°C per chilometro e si stabilizza a -60°C nella parte alta della Troposfera (detta Tropopausa).

Stratosfera
È situata subito sopra la Troposfera. I movimenti sono molto più deboli e la temperatura è quasi uniforme, attorno a -60°C. Non esiste praticamente il rimescolamento verticale, l'acqua è ghiacciata e l'aria è molto secca. La zona limite tra Troposfera e Stratosfera (cioè la Tropopausa) è la sede dei venti laminari di alta velocità (le correnti a getto o jet-streams) che percorrono tutto il globo come importantissime componenti della circolazione generale dell'atmosfera. Ad un'altezza compresa tra 20 e 50 km l'assorbimento dei raggi ultravioletti solari crea uno strato di ozono (O₃) senza il quale la vita sulla terra sarebbe impossibile. Il riscaldamento di questo guscio è assicurato dai raggi ultravioletti che formano e distruggono l'ozono.

Mesosfera
È lo strato che sovrasta la Stratosfera, all'interno del quale la temperatura decresce. Nel caso della Terra (ma non per altri pianeti) la Mesosfera è separata dalla Stratosfera da un guscio praticamente isotermo (Stratopausa). La produzione di ozono decresce con l'altezza, mentre l'anidride carbonica (CO₂) gioca un ruolo sempre più importante nell'assorbire l'irraggiamento infrarosso, il che blocca la diminuzione della temperatura: siamo a circa 90 km di altezza, nella Mesopausa.

Termosfera
È la zona situata al di sopra dei 90 km ed è definita come la regione esterna dove la temperatura cresce di nuovo a causa dell'assorbimento della radiazione solare. L'energia assorbita serve alla fotodissociazione e alla fotoionizzazione dell'ossigeno molecolare (O₂). Questo meccanismo porta la temperatura a circa 1000°C attorno ai 250 km di altezza (bisogna notare che queste temperature sono legate all'agitazione termica delle particelle: non c'è la sensazione "fisica" del caldo perchè la materia è molto rarefatta).

Ionosfera
Situata al di sopra di 80 km di altezza, è la regione dove moltissimi atomi sono ionizzati e quindi dove il gas contiene nuclei atomici carichi positivamente ed elettroni carichi negativamente. Gli ioni sono tanto numerosi che questo strato condiziona pesantemente il passaggio delle onde radio. Questa zona fu scoperta nel 1901 tramite le comunicazioni radio attraverso l'Atlantico: infatti, a causa della riflessione delle onde radio corte da parte della ionosfera, è possibile comunicare con zone che non sarebbero raggiungibili se le onde radio viaggiassero in linea retta, senza riflessioni. Anche Venere e Marte possiedono una ionosfera.

Esosfera
È la regione dalla quale un atomo può allontanarsi dalla Terra senza incontrare un altro atomo. È il limite fisico dell'atmosfera.

Magnetosfera
vasta regione esterna alla Terra nella quale l'atmosfera è un plasma. All'interno di questa cavità domina il campo magnetico terrestre che cattura particelle cariche provenienti sia dal Sole che dall'ambiente terrestre. Si comporta come un guscio protettivo rispetto alle particelle cariche molto energetiche che provengono dal Sole.