Tutte le risposte

0245. Perchè la temperatura diminuisce salendo di quota?

espertomini

Sono sempre stato incuriosito dal fatto: la temperatura diminuisce salendo di quota? Perchè? Avevo capito che l’aria calda sale. (Fabio Cabrini) (2122)


sem_esperto_verde

Nella porzione di atmosfera icona_glossario detta troposfera icona_glossario, che dal suolo si estende fino a 15 km di altezza, la temperatura diminuisce con la quota di 6,5°C per ogni km. La radiazione solare , che giunge sul nostro pianeta, viene riflessa dal sistema atmosfera-terra per il 33% e assorbita dalla terra per il 67%. La temperatura della superficie terrestre è circa un ventesimo di quella del bordo solare (circa 5700 K, espressa in gradi kelvin (K), in onore del fisico britannico Lord Kelvin icona_biografia), per cui le radiazioni più intense rilasciate dalla terra hanno una lunghezza d’onda venti volte maggiore di quelle corrispondenti emesse dall’astro (legge di Wien icona_biografia ).

ScienzaPerTutti_sole

Le prime onde elettromagnetiche appartengono all’infrarosso e sono dette lunghe, quelle solari col massimo di radianza nel visibile sono denominate corte. Il vapore acqueo, l’anidride carbonica, il metano assorbono la radiazione infrarossa. Ma l’atmosfera tende a mantenere costante la sua temperatura media rigettando la radiazione ricevuta. Si viene a creare un duplice flusso di raggi infrarossi verso l’alto e il basso con un valore netto che si allontana dalla terra per consentire il bilancio energetico con la radiazione solare. Dunque, l’atmosfera viene riscaldata prevalentemente dalla terra e perciò aumentando la quota l’aria diventa più fredda. La terra può essere assimilata ad una grande piastra a sua volta riscaldata dall’energia solare. Allontanandosi dalla piastra diminuisce la temperatura trasmessa all’aria.

sem_esperto_rosso

La potenza media solare che raggiunge la superficie atmosferica di un metro quadrato, disposta perpendicolarmente alla direzione della radiazione, è di 1367 W; questa quantità I si chiama costante solare. Siccome l’irraggiamento è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente, la potenza emessa per metro quadro dalla superficie solare è maggiore di I. Poiché la Terra si trova a un’unità astronomica = 149,6 milioni di km dal Sole e questo ha un raggio di 696000 km, il rapporto delle suddette distanze al quadrato ammonta a 46200, che moltiplicato per I fornisce l’irraggiamento alla superficie solare. La legge di Stefan icona_biografia – Boltzmann icona_biografia afferma che un corpo nero, a una temperatura assoluta T, irraggia una potenza per metro quadrato pari S = n T4, dove n = 5,67 10-8 W/(m2K4). Trattando il Sole come un corpo nero, si ricava la sua temperatura superficiale con la formula T = radice quarta di (S/n) = 5777 K. Un altro indizio su questa temperatura si estrae dalla legge dello spostamento di Wien per cui ?T = 2,8978 10-3m K, essendo ? la lunghezza d’onda cui corrisponde la radiazione più intensa del corpo nero. Dalla misura di ? = 0,476 10-6 m, ottenuta dallo spettro solare, si giunge a T = 6088 K. Questa temperatura è compatibile col valore precedente considerando che la radiazione proviene anche dall’interno del sole più caldo. La potenza solare che colpisce la terra intercetta un cerchio massimo terrestre di area A e vale IA, ma al suolo ne ritroviamo una frazione ossia 0,67 IA, che deve essere irradiata da tutta la superficie del pianeta (4 A). Dunque, l’irraggiamento infrarosso della terra risulta (0,67 I A)/(4 A) = 229 W/m2 a cui è associato, in base alla legge di Stefan-Boltzmann, la temperatura di emissione T = radice quarta di (S/n) = 252 K. La temperatura media della terra di 15°C, ovvero 288K, è più alta di quella calcolata. Però, la temperatura della troposfera scende fino a –55°C cioè 218° K. La media di 253° K tra 218° K e 288° K è molto vicina al valore desunto dalla formula di Stefan-Boltzmann. Per interpretare più specificamente il fenomeno, bisogna dividere l’intervallo infrarosso delle lunghezze d’onda in tre insiemi, in modo che l’atmosfera sia opaca, parzialmente opaca, trasparente alla radiazione inclusa nei suddetti insiemi. La prima frazione viene continuamente assorbita e riemessa dall’atmosfera, fino a raggiungere i limiti della troposfera, in cui viene a mancare il vapore acqueo che produce principalmente il meccanismo. Questa radiazione viene emanata alla temperatura della zona terminale troposferica di –55°C. La terza frazione della radiazione, non assorbita dall’atmosfera, deve essere considerata emessa alla temperatura del suolo di 15°C. La parte rimanente caratterizzata dalla parziale opacità, va trattata ad una temperatura intermedia tra 15°C e –55°C.

Nell’ipotesi che le trasformazioni termodinamiche dell’aria siano adiabatiche, ossia senza scambi di calore, si può giustificare l’entità del gradiente termico della troposfera. Una massa d’aria, che sale adiabaticamente, incontra una minore pressione, si espande e compie lavoro, a discapito della sua energia interna, che fa diminuire la sua temperatura. Poiché nell’adiabatica p = b Ta, si ha che la pressione p dell’aria è proporzionale, tramite un coefficiente b, alla temperatura assoluta T elevata ad a = Cp/R, dove Cp è il calore specifico molare dell’aria a pressione costante e R = 8,315 J/(mole K) è la costante dei gas. Dalla precedente relazione si ricava che dp = a p dT /T. Per la legge di Stivino icona_biografia , la variazione di pressione con la quota h vale dp = -g dh pM/(RT), in cui M è la massa molare, g è l’accelerazione di gravità, pM/(RT) è la densità che discende dall’equazione di stato dei gas perfetti. Uguagliando le due espressioni di dp e semplificando, si perviene al gradiente termico adiabatico dT/dh = -Mg/Cp. Da M = 28,8 grammi/mole (80% di azoto e 20% di ossigeno), g = 9,806 m/s2, Cp = 7R/2 (azoto e ossigeno sono biatomici), scaturisce che dT/dh = -9,7 °C/km. Il gradiente effettivo di –6,5 °C/km è minore ma dello stesso ordine di grandezza. Ciò significa che gli spostamenti verticali dell’aria sono abbastanza adiabatici, però intervengono altri fenomeni come la condensazione del vapore acqueo che comporta il rilascio del calore latente.

sem_esperto_verde

Il decremento della temperatura con la quota subisce in prossimità del suolo delle eccezioni, per esempio la radiazione notturna può provocare un raffreddamento più rapido della superficie terrestre rispetto all’atmosfera con una conseguente inversione del gradiente termico in vicinanza del suolo. Il bilancio tra l’energia entrante e quella uscente nel sistema terra-atmosfera è verificato a livello globale, ma localmente si riscontrano delle differenze. Le zone a bassa latitudine ricevono più energia perché la superficie terrestre è più ortogonale ai raggi solari. L’inverso si realizza per le porzioni ad alte latitudini. Quindi le prime zone tendono a riscaldarsi e le altre a raffreddarsi. La circolazione generale dell’atmosfera provvede a mantenere stazionaria la temperatura media dei vari luoghi. Oltre la troposfera troviamo la stratosfera in cui la temperatura cresce con l’altezza per la presenza dell’ozono che assorbe i raggi ultravioletti solari. Poi incontriamo la mesosfera in cui la temperatura riprende a diminuire. Quindi inizia la termosfera, dove la temperatura aumenta fino a 200-300°C e negli strati più alti può raggiungere anche i 1000°C. Ciò avviene perché le molecole e gli atomi vengono continuamente dissociati e assorbono larghe bande dei raggi ultravioletti. Nell’aria poco densa cresce molto il cammino libero medio e il concetto di temperatura come espressione dell’energia cinetica media tende a perdere il suo significato.

Pasquale Catone – Docente di Fisica


 

 
Utilizza il filtro dei tags anche digitando le lettere della parola che stai cercando

© 2002 - 2018 ScienzaPerTutti - Grafica Francesca Cuicchio Ufficio Comunicazione INFN - powered by mspweb

NOTA! Questo sito utilizza i cookie e tecnologie simili.

Se non si modificano le impostazioni del browser, l'utente accetta. Per saperne di piu'

Approvo

Informativa sulla Privacy e Cookie Policy

Ultima modifica: 28 maggio 2018

IL TITOLARE

L’INFN si articola sul territorio italiano in 20 Sezioni, che hanno sede in dipartimenti universitari e realizzano il collegamento diretto tra l'Istituto e le Università, 4 Laboratori Nazionali, con sede a Catania, Frascati, Legnaro e Gran Sasso, che ospitano grandi apparecchiature e infrastrutture messe a disposizione della comunità scientifica nazionale e internazionale e 3 Centri Nazionali dedicati, rispettivamente, alla ricerca di tecnologie digitali innovative (CNAF), all’alta formazione internazionale (GSSI) ed agli studi nel campo della fisica teorica (GGI). Il personale dell'Infn conta circa 1800 dipendenti propri e quasi 2000 dipendenti universitari coinvolti nelle attività dell'Istituto e 1300 giovani tra laureandi, borsisti e dottorandi.

L’INFN con sede legale in Frascati, Roma, via E. Fermi n. 40, Roma, email: presidenza@presid.infn.it, PEC: amm.ne.centrale@pec.infn.it in qualità di titolare tratterà i dati personali eventualmente conferiti da coloro che interagiscono con i servizi web INFN

IL RESPONSABILE DELLA PROTEZIONE DEI DATI PERSONALI NELL’INFN

Ai sensi degli artt. 37 e ss. del Regolamento UE 2016/679 relativo alla protezione delle persone fisiche con riguardo al trattamento dei dati, l’INFN con deliberazione del Consiglio Direttivo n. 14734 del 27 aprile 2018 ha designato il Responsabile per la Protezione dei Dati (RPD o DPO).

Il DPO è contattabile presso il seguente indirizzo e.mail: dpo@infn.it

Riferimenti del Garante per la protezione dei dati personali: www.garanteprivacy.it

Il TRATTAMENTO DEI DATI VIA WEB

L'informativa è resa solo per i siti dell'INFN e non anche per altri siti web eventualmente raggiunti dall'utente tramite link.

Alcune pagine possono richiedere dati personali: si informa che il loro mancato conferimento può comportare l’impossibilità di raggiungere le finalità cui il trattamento è connesso

Ai sensi dell'art. 13 del Regolamento UE 2016/679, si informano coloro che interagiscono con i servizi web dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, accessibili per via telematica sul dominio infn.it, che il trattamento dei dati personali effettuato dall'INFN tramite web attiene esclusivamente ai dati personali acquisiti dall'Istituto in relazione al raggiungimento dei propri fini istituzionali o comunque connessi all’esercizio dei compiti di interesse pubblico e all’esercizio di pubblici poteri cui è chiamato, incluse le finalità ricerca scientifica ed analisi per scopi statistici.

In conformità a quanto stabilito nelle Norme per il trattamento dei dati personali dell’INFN e nel Disciplinare per l’uso delle risorse informatiche nell’INFN, i dati personali sono trattati in modo lecito, corretto, pertinente, limitato a quanto necessario al raggiungimento delle finalità del trattamento, per il solo tempo necessario a conseguire gli scopi per cui sono stati raccolti e comunque in conformità ai principi indicati nell’art. 5 del Regolamento UE 2016/679.

Specifiche misure di sicurezza sono osservate per prevenire la perdita dei dati, usi illeciti o non corretti ed accessi non autorizzati.

L’INFN tratta dati di navigazione perché i sistemi informatici e le procedure software preposte al funzionamento di questo sito web acquisiscono, nel corso del loro normale esercizio, alcuni dati la cui trasmissione è prevista dai protocolli di comunicazione impiegati. Questi dati - che per loro natura potrebbero consentire l'identificazione degli utenti - vengono utilizzati al solo fine di ricavare informazioni statistiche anonime sull'uso del sito e per controllarne il corretto funzionamento. Gli stessi potrebbero essere utilizzati per l'accertamento di responsabilità in caso di compimento di reati informatici o di atti di danneggiamento del sito; salva questa eventualità, non sono conservati oltre il tempo necessario all'esecuzione delle verifiche volte a garantire la sicurezza del sistema.

UTILIZZO DI COOKIE

Questo sito utilizza esclusivamente cookie “tecnici” (o di sessione) e non utilizza nessun sistema per il tracciamento degli utenti.

L'uso di cookie di sessione è strettamente limitato alla trasmissione di identificativi di sessione (costituiti da numeri casuali generati dal server) necessari per consentire l'esplorazione sicura ed efficiente del sito. Il loro uso evita il ricorso ad altre tecniche potenzialmente pregiudizievoli per la riservatezza della navigazione e non prevede l'acquisizione di dati personali dell'utente.

DIRITTI DEGLI INTERESSATI

Gli interessati hanno il diritto di chiedere al titolare del trattamento l'accesso ai dati personali e la rettifica o la cancellazione degli stessi o la limitazione del trattamento che li riguarda o di opporsi al trattamento secondo quanto previsto dagli art. 15 e ss. del Regolamento UE 2016/679. L'apposita istanza è presentata contattando il Responsabile della protezione dei dati presso l’indirizzo email: dpo@infn.it.

Agli interessati, ricorrendone i presupposti, è riconosciuto altresì il diritto di proporre reclamo al Garante quale autorità di controllo.

Il presente documento, pubblicato all'indirizzo: http://www.infn.it/privacy costituisce la privacy policy di questo sito, che sarà soggetta ad aggiornamenti.