Atmosfera: circonda completamente la terra solida e liquida e forma uno strato spesso migliaia di kilometri. L'analisi chimica dell'atmosfera rivela la presenza costante di alcuni gas: L'atmosfera primordiale è molto diversa da quella attuale (ex: ossigeno biogenico, prodotto dalle piante). Le molecole dei gas sono in continuo rapido movimento, perché ricevono energia dal Sole. I gas atmosferici non si disperdono nello spazio perché li trattiene la gravità della Terra. La parte più interna dell'atmosfera è più densa proprio per questa attrazione. L'alta atmosfera ha una composizione molto diversa:

Il vapore acqueo è presente solo nei primi 10 km dell'atmosfera. Esso non si trova in percentuale fissa e per questo in genere l'aria viene studiata senza tenerne conto, si parla di aria secca. Un altro componente della bassa atmosfera è il pulviscolo atmosferico, formato da polline, cenere vulcanica e polveri di varia origine.

La temperatura dell'atmosfera varia con la quota e dipende dal calore che riceve direttamente o meno dal Sole. L'atmosfera è stata divisa in sfere a seconda dell'andamento della temperatura, se aumenta o se diminuisce, cioè se il gradiente di temperatura è positivo o negativo. Le zone dove avviene l'inversione di tendenza si chiamano pause e dividono una sfera dall'altra.

La troposfera è la sfera nella quale siamo immersi. Il suo spessore varia tra gli 8 km ai poli e i 18 all'equatore dove è più spessa per effetto della rotazione terrestre. In questa fascia l'aria è in incessante movimento e qui hanno luogo tutti i fenomeni atmosferici. È la parte più densa dell'atmosfera e contiene l'80% della sua massa. La temperatura diminuisce di 0,6°C per ogni 100 m di altezza, infatti la fonte di calore della troposfera è il suolo che assorbe i raggi solari e li rimanda in IR. Lo strato di inversione termica è un fattore naturale per il quale sotto una certa altezza la tendenza della temperatura è quella di aumentare con l'altezza. Si forma nei periodi di alta pressione quando, durante la notte, il suolo perde calore che viene assorbito dagli strati più densi dell'atmosfera. Oltre questo strato la temperatura, come normale, diminuisce con l'altezza. La situazione di inversione termica favorisce il ristagno di gas tossici nei pressi del suolo e ne impedisce la dispersione nello spazio (impedisce il rimescolamento verticale causato dal gradiente termico). Lo strato di inversione è aumentato con l'intervento dell'uomo.

La stratosfera è a strati. Raggiunge i 50 Km di altezza. Non ci sono correnti convettive e la temperatura aumenta con l'aumentare della distanza da Terra. La percentuale delle componenti della stratosfera è uguale a quella della troposfera con la differenza che qui non c'è vapore acqueo e che la densità è molto minore. La stratosfera è caratterizzata dalla presenza dello strato di ozono. L'O2 si fotodecompone formando due atomi di O che, unendosi con una molecola intera di O2, formano O3, ozono. L'ozono si fotodecompone e la catena riprende. Questi fenomeni atomici fanno aumentare la temperatura (che raggiunge lo 0°C dal -60°C a cui si era arrivati nella tropopausa). L'ozono inoltre assorbe direttamente i raggi UV solari, impedendo che arrivino al suolo, e li emette in radiazione termica. Il buco nell'ozono è un assottigliamento locale dello strato di ozono. È causato soprattutto dai CFC (cloro fluoro carburi) prodotti dalle industrie chimiche, organiche e frigorifere. I CFC colpiti dalle radiazioni solari UV liberano atomi di cloro che sono molto reattivi nella stratosfera. Al Cl si unisce O che quindi non può più essere utilizzato nel processo di creazione/distruzione dell'ozono. Il fenomeno del buco nell'ozono è evidente soprattutto sull'Antartide ma sta facendosi notare anche sull'Artico.

La mesosfera è riscaldata dalla superficie terrestre, la temperatura quindi diminuisce con l'altitudine. Arriva fino a 100 km di altezza.

La termosfera è caratterizzata da un aumento costante della temperatura causato dall'assorbimento dei fotoni solari, dei raggi UV e degli altri raggi energetici. La temperatura secondo i calcoli dovrebbe essere di almeno 100°C a 300km di quota ma in realtà, essendo le particelle molto rade perché la densità è bassissima, allora anche gli urti tra le particelle, che si muovo molto veloci, sono rari per cui la temperatura si mantiene bassa.

L'esosfera è l'ultima sfera. La temperatura è talmente alta che alcune particelle raggiungono la velocità di fuga e riescono a uscire dal campo gravitazionale della Terra.

Ioni nell'atmosfera: In tutta l'alta atmosfera e in una parte della bassa atmosfera una percentuale di atomi si trova sotto forma di ioni a causa dei raggi X e UV del Sole. Quindi durante il dì la composizione della ionosfera è di ioni positivi e elettroni negativi, mentre di notte di particelle neutre. Le particelle cariche agli strati superiori dell'atmosfera risentono molto del campo magnetico della Terra. Queste particelle costituiscono la magnetosfera che è sede delle aurore polari: le particelle cariche che si dirigono a grande velocità verso i poli urtano con le particelle di ossigeno e azoto le quali riemettono l'energia assorbita in energia luminosa

Energia solare: Il flusso di energia medio che la terra riceve dal Sole si chiama costante solare. Le radiazioni solari sono piuttosto corte e energetiche. L'energia entrante è uguale però all'energia uscente perché la temperatura della terra è più o meno costante. L'energia solare ritorna nello spazio in due modi: Per riflessione: Il 35% delle radiazioni viene direttamente respinto senza essere trasformato. Perciò l'albedo (potere riflettente) della terra è del 35%. Una superficie chiara ha un albedo superiore a una scura. Le rocce hanno un albedo basso cioè assorbono molta energia e ne riflettono poca. L'acqua e i ghiacci hanno un albedo elevato. Inoltre l'albedo dipende dall'inclinazione del raggio: più è inclinato il raggio meglio sarà riflesso. Per irraggiamento: il 18% delle radiazioni è assorbito dall'atmosfera e dalle nubi, il restante 47% è assorbito dalla Terra (radiazione effettiva). Gran parte dell'energia elettromagnetica assorbita si trasforma in energia termica, cioè in onde lunghe. La differenza tra energia solare assorbita e energia riemessa dalla terra è il bilancio energetico. La fascia intertropicale assorbe più energia di quanta ne rimette (surpens di energia) mentre le aree al di fuori di questa fascia hanno un bilancio energetico negativo (deficit energetico). Questo comporterebbe un progressivo aumento di temperatura tra i tropici e un abbassamento ai poli ma, grazie a venti e correnti marine che portano l'aria e l'acqua fredda dei poli verso l'equatore e l'aria e l'acqua calda dell'equatore verso i poli (moti di rimescolamento), la temperatura nel tempo si mantiene più o meno costante.

Temperatura atmosferica: La differenza tra temperatura max e temperatura min si chiama escursione termica. Le misure di temperature al suolo sono effettuate tramite termometri posti nelle capannine meteorologiche opportunamente rialzate da terra per impedire che le misurazioni risentano del calore emesso da essa. Sono di legno e bianche, le pareti a persiane favoriscono l'aerazione e evitano la radiazione solare diretta. Il termografo è meno preciso del termometro ma permette una misurazione istante per istante della temperatura. Le misure in quota si effettuano con palloni aerostatici lanciati contemporaneamente dalle stazioni meteorologiche del mondo (rete sinottica: le osservazioni meteorologiche avvengono ogni 6 o 3 ore sinottiche). Grazie alle informazioni convogliate a un punto di raccordo si è giunti a poter tracciare la curva di emissione del Sole e quella della Terra. La max emissione solare avviene alle 12, mentre quella terrestre qualche ora dopo, dal momento che il calore deve fare in tempo ad essere assorbito dal suolo e riemesso in IR. Con i dati relativi alla temperatura di molte stazioni si possono costruire le carte delle isoterme, cioè delle linee che uniscono località aventi la stessa temperatura. In genere le isoterme vengono riferite al livello del mare. L'escursione termica diurna (cioè riferita a 24 ore) è maggiore col cielo terso e minore in presenza di nuvole che fanno aumentare l'effetto serra. L'escursione termica sarà inoltre minore in vicinanza dal mare perché l'acqua di giorno si scalda lentamente e di notte lo emette gradualmente. La temperatura diminuisce regolarmente di 0,6°C per 100 m di altitudine. Però è possibile il fenomeno della inversione termica, dove la temperatura aumenta con l'altitudine in uno spessore limitato d'aria. Il fenomeno può essere dovuto alla presenza di masse d'aria fredda e densa che si calano dall'alto e si incuneano sotto l'aria calda. Anche la latitudine incide sulla temperatura: maggiore è la latitudine, maggiore è l'angolo di incidenza dei raggi solari, minore è la quantità di energia assorbita e quindi di energia riemessa. Le isole di calore urbane sono le città dove, a causa dell'asfalto che ha un albedo molto basso e che quindi assorbe energia, la temperatura è più alta.

Windchill: la temperatura che l'uomo percepisce in presenza del vento è minore di quella reale in quanto il vento porta via per attrito delle particelle d'acqua alle cellule epidermiche superficiali attraverso un processo endotermico.

Dinamica della troposfera: L'aria della troposfera è in continuo movimento: è riscaldata dal basso e questo comporta instabilità perché l'aria calda al suolo tende a salire e quella fredda tende a scendere (moti verticali). Inoltre l'aria si sposta da zone a pressione alta a zone a pressione bassa (moti orizzontali, venti).

Pressione atmosferica e venti: Dato sinottico. Si misura col Barometro a mercurio, ideato da Torricelli. L'unità di misura è l'etto pascal. Le misurazioni (fatte in quota con radiosonde o palloni sonda) devono essere riportate alla stessa temperatura (col caldo il mercurio si espande) e alla stessa altitudine. Infatti la pressione atmosferica diminuisce con la quota, con l'aumento della temperatura dell'aria e con l'aumento della percentuale di umidità. Di norma la pressione è di 1013 millibar. Le isobare sono la rappresentazione grafica dei punti con uguale pressione (ridotta). aree anticicloniche alta pressione, ex: 1040 millbar; promontorio: prolungamento dell'anticiclone. Aree cicoliniche: bassa pressione, ex: 990 milibar; saccatura: prolungamento del ciclone. Se le isobare sono più fitte il gradiente barico (rapporto tra la variazione di pressione tra due punti e la loro distanza) è più alto il vento è più intenso. Al suolo la velocità del vento (misurata in nodi) è minore a causa dell'attrito col terreno. vento di gradiente vento che non risente della forza di Coriolis e che quindi da direzione perpendicolare alle isobare.

vento geostrofico vento parallelo alle isobare a causa della forza di coriolis che devia il percorso del vento verso dx nel nostro emisfero e verso sn nell'altro. In realtà a causa degli attirti col suolo la direzione del vento è inclinata rispetto alle isobare.

ciclone (senso antiorario, convergenza): bassa pressione aria si alza nuvole e divergenza in quota

Anticiclone (senso orario, divergenza): alta pressione aria schiacciata no nuvole e convergenza in quota

divergenza: rarefazione dell'aria dovuta a accelerazione flusso o divergere linee di flusso. Se in quota calo pressione aria sottostante. 

convergenza: compressione dell'aria dovuta a rallentamento flusso o convergenza linee di flusso. Se in quota aumento pressione aria subsidente

ciclone al suolo bassa pressione convergenza (con linee di flusso in senso antiorario) compressione aria l'aria sale alta pressione in quota divergenza in quota (l'aria va verso zone a pressione più bassa) convergenza in quota in un sito vicino aumento pressione dell'aria sussidente l'aria scende alta pressione al suolo anticiclone al suolo convergenza  al suolo (con linee di campo in senso orario)

ciclone (senso antiorario, convergenza): bassa pressione aria si alza nuvole e divergenza in quota

Anticiclone (senso orario, divergenza): alta pressione aria schiacciata no nuvole e convergenza in quota

Venti planetari: Alisei, Venti occidentali, Venti orientali polari. All'equatore l'aria della bassa atmosfera è, a causa del max riscaldamento solare, calda e quindi leggera e la pressione al suolo bassa. Ai poli l'aria è fredda e la pressione al suolo è alta.

L'aria tenderà quindi a spostarsi dai poli all'equatore. Ai poli quindi ci sarà una divergenza, l'aria dell'alta troposfera tenderà a scendere e quindi la pressione diminuirà in quota. All'equatore invece ci sarà una convergenza innalzamento dell'aria (precipitazioni), raffreddamento adiabatico della stessa nella troposfera che qui ha spessore max.

La pressione in quota sarà quindi maggiore, e l'aria tenderà a spostarsi verso i poli raffreddandosi ulteriormente. All'altezza dei tropici l'aria sarà così pesante da tendere a scendere verso il suolo aumentando la pressione dell'aria subsidente e formando una zona anticiclonica intorno ai 30°. L'aria che converge in quota è quindi spinta verso il basso dove diverge tornando con gli alisei all'equatore (cellula di Hadley) o dirigendosi con i venti occidentali verso i poli. Nell'aria subpolare i venti occidentali convergono con i venti orientali polari formando un ciclone. A causa della bassa pressione l'aria si innalza dando origine a precipitazioni e in quota diverge dirigendosi in parte verso i poli in parte verso la zona subtropicale. In corrispondenza delle convergenze si formano i fronti. A causa della forza di coriolis il moviemento dei venti ha una direzione che tende ad essere parallela ai paralleli. La situazione non è così prevedibile e uniforme in quanto le aree cicloniche e le aree anticiclonichesi spostano durante l'anno seguendo il moto apparente del Sole. Inoltre il percorso del vento è modificato dall'attrito al suolo e dalla differenza di temperatura tra le zone continentali e quelle oceaniche. Al di sopra dei 3.000 m circa i venti sono regolari e costanti. Inoltre, come già accennato, le temperature in alta quota all'equatore sono minori di quelle in alta quota sopra i poli dove la troposfera è meno spessa ( correnti occidentali).

Correnti a getto: getto subtropicale e getto del fronte polare: venti impetuosi e puntuali in alta quota. Venti molto veloci (500 km/h, 60 nodi) e paralleli alla superficie della terra. Si muovono da ovest a est . Il getto subtropicale è molto veloce e abbastanza rettilineo, mentre quello fronte polare forma profondi meandri e saccature, divergenze e convergenze. Quando i meandri si accentuano le saccature si chiudono dando origine a cortici di aria fredda immersi in aria calda e vortici di aria calda immersi in aria fredda. I primi generano alta pressione al suolo (anticicloni tropicali) e i secondi generano cicloni. Queste cellule però si esauriscono anche nel giro di una settimana.  

Umidità: quantità di vapore in una quantità di massa. In vapore acqueo dell'atmosfera deriva dall'evaporazione dell'acqua dagli oceani e dal suolo e dalla traspirazione delle piante. L'umidità che può essere contenuta in un determinato volume d'aria non è illimitata ma aumenta all'aumentare della temperatura; diminuendo la temperatura diminuisce la capacità dell'aria di conterene acqua. L'umidità assoluta è la reale quantità di acqua in un certo volume di aria (si misura in g/m³). l'umidità relativa è invece il rapporto percentuale tra l'umidità assoluta e la max quantità d'acqua contenibile a quella temperatura. Quando l'umidità è massima (l'aria è satura) l'umidità relativa è del 100% e la temperatura si dice punto di rugiada. Quando la temperatura scende al si sotto del punto di rugiada il vapore acqueo in eccesso (vapore contenuto - vapore contenibile) condensa in acqua liquida.

Nefogenesi per irragiamento: il suolo si riscalda durante il dì assorbendo le radiazioni solari. Di notte riemette in IR raffreddandosi e riscaldando la bassa troposfera che scende sotto il punto di rugiada e condenda nella nebbia. Per lo stesso motivo brina e rugiada so formano la notte e la mattina presto.

Nefogenesi per sollevamento di aria: l'aria dal suolo si alza verso pressioni più basse, così facendo si espande perché la pressione è più bassa ma deve compiere lavoro sull'ambiente raffreddandosi (trasformazione adiabatica). La temperatura dell'aria si abbassa di 1 grado per 100 metri (gradiente adiabatico secco) fino a che non raggiunge in punto di rugiada e si condensa intorno ai nuclei di condensazione (polveri, polline.) formano le nuvole. Intanto l'aria continua a salire ma, a causa della condensazione del vapore, la temperatura dimiuisce più lentamente: di 0,6 gradi per 100 metri (gradiente adiabatico umido).

Cumuli: nuvole sviluppate in altezza, portatrici di temporali violenti e segnalatrici di instabilità dell'atmosfera. Si formano da bolle di aria calda e umida che salendo si raffredda ma si mantiene più calda dell'aria circostante. Anche dopo aver raggiunto il punto di rugiada l'aria  continua a salire condensando.

Strati: nuvole sviluppate orizzontalmente, portatrici di piogge continue e leggere. Sono indice della stabilità dell'atmosfera. La salita dell'aria calda e umida si arresta presto perché raggiunge presto la temperatura dell'aria circostante. Quindi si sviluppa in larghezza.

Nuvole orografiche: si originano quando aria calda e umida si scontra con una montagna ed è costretta a salire e espandendosi e raffreddandosi, condensa. Si formano sul versante sopravento della montagna (vento di stau). Sul versante sottovento non ci sono nuvole perché l'aria diventata pesante scende e si riscalda per compressione. Si forma un vento caldo e secco (l'umidità è stata persa sull'altro lato della montagna) detto fohn.

Fronte: superficie di contatto tra due masse d'aria con umidità e temperatura differenti.

Ciclone delle medie latitudini: fronte freddo: l'aria fredda si incunea sotto l'aria calda che è costretta a salire e forma nuvole cumuliformi (precipitazioni abbondanti). fronte caldo: l'aria calda scivola sopra l'aria fredda e da origine a nubi stratiformi con precipitazioni leggere e persistenti. Quando il fronte freddo raggiunge il fronte caldo si forma un fronte occluso: l'aria calda è completamente sollevata dall'aria fredda e le precipitazioni sono diffuse e intense.

Dalla convergenza tra venti orientali polari e venti occidentali nasce il fronte polare: l'aria fredda e più densa si incunea sotto l'aria calda e leggera che si sposta verso il polo lungo un piano inclinato. In corrispondenza delle ondulazioni della corrente a getto polare si creano a bassa quota perturbazioni del fronte polare e cicloni e anticicloni (vedi getto).

Cicloni tropicali: aree limitate di bassa pressione con alto gradiente barico orizzontale venti fortissimi. Moto vorticoso. L'aria calda sale vorticosamente e genera intensissime precipitazioni. Quando l'aria ha perduto parte dell'umidità, si fa più pesante e scende nella zona centrale del vortice comprimendosi e riscaldandosi no precipitazioni.

nb

isobarica: punti con uguale pressione

isotermica: punti con ugual temperatura

isoipsa: punti di uguale quota.

isoeta: punti con uguale piovosità