Fa freddo lassù?

Checché ne dicano chimici e fisici, le due discipline di cui essi sono rappresentanti sono strettamente correlate tra di loro. A certi livelli sono talmente incuneate l’una nell’altra che è difficile dire quando finisce la chimica e quando comincia la fisica. Prendete per esempio la quantomeccanica. Tutti quelli che ne parlano sono fisici, ma questa branca della fisica può essere considerata anche chimica grazie agli sforzi compiuti da Linus Pauling che, nella prima metà del XX secolo, si “inventò” la chimica quantistica, o quantochimica, per spiegare la natura del legame chimico (Figura 1).

Fino a che Pauling non si impadronì della quantomeccanica per adattarla alla chimica, la rottura e la formazione dei legami chimici rimase in una sorta di limbo che faceva dei chimici dei veri e propri praticoni, abilissimi nel “maneggiare” le molecole, ma ancora lontani dal poter prima progettare e poi realizzare in laboratorio quanto avevano in mente.

Perché vi scrivo tutto questo?

Dovete sapere che in questo periodo di quarantena sono costretto a fare lezione per via telematica. Mi manca fortissimamente il contatto con gli studenti ed il poter trasferire le mie conoscenze non solo con le parole ma anche con la prossemica e con l’attività di laboratorio. In questo contesto sto studiando le lezioni che devo fare nelle prossime settimane per il mio corso di “Recupero delle aree degradate”. Una delle ultime lezioni riguarda la contaminazione atmosferica. È proprio ripassando le diapositive che presenterò tra un paio di settimane che ho realizzato anche a me stesso ciò che dico normalmente agli studenti dei miei corsi: chimica e fisica sono parenti stretti; non si può capire la chimica se non si conosce la fisica e non si può comprendere a fondo la fisica se non si hanno anche conoscenze chimiche. Sono sicuro che i miei amici fisici dissentiranno da quanto ho appena scritto, ma lasciatemi dire che chi afferma che per conoscere la fisica non c’è bisogno della chimica ha profonde falle cognitive. È come dire che la conoscenza umanistica non serve a chi si occupa di scienza. In realtà, la conoscenza umanistica aiuta a pensare, a mettere ordine nelle proprie idee, nel proprio modo di esprimersi e nel modo di presentare ciò che sappiamo.

Ma andiamo con ordine.

La fisica dell’atmosfera è direttamente legata alla sua chimica.
Nella Figura 2 si evidenzia la geografia dell’atmosfera con l’indicazione dei cambiamenti di temperatura (quindi una proprietà fisica) che si osservano man mano che ci allontaniamo dalla superficie terrestre.

Usando il linguaggio tipico della Scienza del Suolo, la Figura 2 mostra il profilo dell’atmosfera nel quale è possibile individuare diversi orizzonti. L’orizzonte più vicino al suolo ha un’altezza di circa 16 km. Esso viene indicato col termine di troposfera in cui il suffisso “tropo” è di derivazione greca e vuol dire “mutazione”, “cambiamento”. La composizione chimica della troposfera è abbastanza complessa. Essa è costituita non solo da ossigeno ed azoto molecolari, ma anche da vapor d’acqua, anidride carbonica e tutte le altre varie anidridi come quelle di azoto e zolfo che hanno sia origine antropica che origine naturale. Per effetto dell’energia termica rilasciata dal suolo, le molecole di gas più vicine ad esso si riscaldano, diminuiscono di densità e si muovono verso l’alto venendo sostituite dalle molecole di gas più fredde e più dense che si trovano ad altezze maggiori. Si realizzano, quindi, delle correnti ascensionali (Figura 3) che sono sfruttate, per esempio, dai deltaplanisti o da chi è appassionato di volo senza motore.

È proprio grazie all’energia termica rilasciata dal suolo che possiamo spiegare perché nella troposfera la temperatura diminuisce con l’altezza. Infatti, più vicini siamo al suolo, più risentiamo del calore emesso dalla superficie terrestre. Più ci allontaniamo dal suolo, più si riduce la temperatura per effetto della dissipazione del calore che proviene dalla superficie terrestre.
Tra 16 e 50 km di altezza c’è l’orizzonte atmosferico che viene definito stratosfera. In questo orizzonte c’è una concentrazione media di ozono che è dell’ordine delle decine di parti per milioni (v/v) contro i 0.04 ppm medi presenti nella troposfera. Questa elevata concentrazione di ozono rende conto dell’aumento di temperatura che si osserva man mano che ci si allontana dalla superficie terrestre e si passa dai 16 ai 50 km di altezza. Infatti, le radiazioni luminose provenienti dal suolo, da un lato, consentono la degradazione dell’ozono (O₃) ad ossigeno molecolare (O₂) ed ossigeno radicalico (O∙) in una reazione esotermica, dall’altro consentono un aumento dell’energia cinetica dei gas della stratosfera con conseguente aumento dell’energia termica.
Tra 50 ed 85 km c’è l’orizzonte che chiamiamo mesosfera. In questo orizzonte si osserva di nuovo una diminuzione di temperatura all’aumentare dell’altezza. Infatti, la temperatura della mesosfera può arrivare fino a -90°C. Questa diminuzione di temperatura è legata alla riduzione della densità dei gas ivi contenuti. L’energia termica proveniente dal Sole, pur incrementando l’energia cinetica delle molecole di gas, non è, tuttavia, in grado (a causa della bassa concentrazione di tali gas) di portare ad un aumento della temperatura.
L’orizzonte incluso tra 85 e 500 km di altezza prende il nome di termosfera. La composizione chimica della termosfera vede la presenza di molecole di ossigeno e molecole contenenti azoto. La radiazione elettromagnetica proveniente dal sole consente la ionizzazione delle molecole anzidette in reazioni di tipo esotermico. L’esotermicità delle reazioni appena citate, associate all’aumento dell’energia cinetica dei sistemi gassosi presenti nella termosfera, portano ad un aumento della temperatura che può arrivare fino a 1200 °C. Gli ioni presenti nella termosfera non solo sono in grado di far “rimbalzare” le onde radio consentendo, quindi, le comunicazioni sul globo terrestre, ma sono anche responsabili delle aurore boreali. Infatti, essi assorbono energia solare riemettendola sotto forma di radiazioni luminose che danno luogo alle meravigliose scenografie che si osservano nell’emisfero Nord del nostro pianeta (Figura 4).

Conclusioni

Fa freddo lassù? La risposta corretta è: dipende. Dipende dall’altezza a cui ci troviamo e dalla chimica degli orizzonti del profilo atmosferico. Come dicevo più su, questo post nasce dal desiderio di condividere con voi le meraviglie di due discipline interconnesse tra loro: la chimica e la fisica. Come potete intuire leggendo questo breve articolo, le conoscenze chimiche riescono a spiegare i fenomeni fisici che si osservano nell’atmosfera. Spero possiate perdonare le inesattezze che sicuramente ho scritto e che tutto ciò possa innescare una discussione interessante.

Altre letture

Fundamentals of physics and chemistry of atmosphere

Fonte dell’immagine di copertina