mercoledì 4 gennaio 2012

"Come Vola", l'Atmosfera

Come vola.
Ho deciso di cominciare una serie di articoli, con l'intento di "raccontare" come, ma sopratutto perché, volano i mezzi più pesanti dell'aria.
Il progetto, o meglio per adesso parliamo di una semplice idea che voglio sviluppare, prevede di partire dalla descrizione del volo di un aereo “basico”, per poi, man mano, approfondire i diversi argomenti e introdurre anche il volo di alianti ed elicotteri.
La materia è sicuramente vasta per cui non mi pongo obbiettivi finali.
Se il tempo e la voglia saranno sufficienti si potrebbe comunque immaginare di poter un giorno riunire i vari articoli in un'unica pubblicazione.
Qualunque contributo è gradito.

Come Vola



-L'atmosfera.
Non possiamo parlare di volo senza prima descrivere l'ambiente in cui si svolge. Tralasciando il volo spaziale, i satelliti e le astronavi, tutti gli altri mezzi progettati dall'uomo per staccarsi dal suolo, si muovono all'interno di quel miscuglio di gas che circonda la terra e che prende il nome di atmosfera.
La parola atmosfera, deriva dal greco àthmos e significa vapore. Con questa parola si indica l'insieme dei gas che circondano un corpo celeste trattenuti dalla sua gravità. Nel nostro caso sarebbe dunque più corretto parlare di atmosfera terrestre ma per brevità e vista l'impossibilità di equivoci, continueremo a chiamarla spesso semplicemente atmosfera, dando per scontato che si tratta di volare attorno al pianeta terra.

-Composizione e struttura.
L'atmosfera terrestre ha una struttura piuttosto complessa. La sua composizione e le sue caratteristiche variano non solo con il variare della quota, ma anche con il variare della latitudine o semplicemente del luogo e del momento.

-Composizione.
L'atmosfera è composta, come abbiamo detto, da un miscuglio di molecole di diversi gas. Quello maggiormente presente è l'azoto che ne costituisce circa il 78%. L'ossigeno invece compone poco meno del 21% dell'atmosfera. Seguono l'argon, poco meno del 1% e il vapore acqueo con circa lo 0,33%, biossido di carbonio con circa lo 0,32%.
I restanti gas sono presenti in quantità che variano dalle 18 parti per milione del neon, alle 0,04 ppm dell'ozono.
Inoltre, vi sono tracce di ossidi di azoto, monossido di carbonio, ammoniaca e solfuro d'idrogeno.
La concentrazione dei diversi gas non è ovunque uguale e varia a seconda della quota.
Il vapore acqueo è presente quasi solo nella troposfera, lo strato più basso, mentre elio e idrogeno si trovano principalmente negli strati più alti, termosfera e esosfera.
La concentrazione del vapore acqueo nella troposfera varia tuttavia notevolmente da un luogo all'altro e da un momento ad un altro. Essa è allo stesso tempo influenzata ed attrice dei complessi meccanismi di quello che definiamo tempo atmosferico.

Struttura dell'Atmosfera.
-Struttura.
Per cominciare possiamo suddividere verticalmente l'atmosfera, in base alla distribuzione media dei gas che la compongono. Otteniamo così due strati: l'omosfera e l'eterosfera.
L'omosfera comincia dal suolo e giunge a circa 100 km di quota. All'interno di questa fascia, la composizione media dell'atmosfera non cambia, a causa dei moti di continuo rimescolamento a cui essa è sottoposta.
Nell'eterosfera invece i gas si distribuiscono con concentrazioni diverse, a seconda del loro peso specifico, e nello strato più esterno si trovano quasi  esclusivamente elio ed idrogeno con concentrazioni via via minori fino a sfumare nel vuoto interplanetario.
L'andamento della temperatura, ma mano che ci allontaniamo dal suolo, ci consente di dividere in ulteriori strati la struttura dell'atmosfera terrestre.
Partendo così dal suolo troviamo: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera e esosfera.
La troposfera è la parte a diretto contatto con il suolo. Quella in cui viviamo e che contiene circa l'80% della massa gassosa e il 99% del vapore acqueo presenti in atmosfera. Nella troposfera avviene la quasi totalità dei fenomeni meteorologici.
Questa parte dell'atmosfera riceve il suo calore direttamente dalla terra sia per induzione che per irraggiamento. Di conseguenza la temperatura media diminuisce man mano che ci si allontana dal suolo. Essa, a livello del mare , è di 15 gradi centigradi ma varia notevolmente sia in funzione della distanza dall'equatore, sia in funzione delle caratteristiche del territorio e degli eventi climatici. La stessa continua a diminuire con l'aumentare della quota fino ad incontrare una zona dove la temperatura si stabilizza per poi ricominciare a salire. Questa zona segna il confine tra la troposfera e la stratosfera e prende il nome di tropopausa. La sua quota media è di circa 12 chilometri ma varia tra i poli ( 6-10km) e l'equatore (15-20). Il suo spessore varia con la latitudine e le stagioni.
Sopra la troposfera si trova la stratosfera la cui altezza arriva a 50 - 60 km di quota. Qui i fenomeni meteorologici sono rari. La presenza di pulviscolo e vapore acqueo diminuisce progressivamente fino ad essere quasi completamente assente. Malgrado questo si può talvolta verificare sia “l'intrusione” di fenomeni nuvolosi particolarmente violenti come i cumulo nembi temporaleschi, originatisi però nella troposfera, sia la nascita di sottili strati nuvolosi.
Nella stratosfera la temperatura, dopo essere rimasta costante per un breve tratto, ricomincia a salire man mano che si sale di quota. Il fenomeno è dovuto alla presenza di uno strato di ozono (una molecola composta da tre atomi di ossigeno) nella sua parte superiore. Questo strato trattiene circa il 99% della radiazione ultravioletta che raggiunge la terra e questo provoca il riscaldamento progressivo della stratosfera man mano che ci si avvicina e prende il nome di ozonosfera.
Qui troviamo anche una zona dove la temperatura tende a stabilizzassi attorno agli 0 ºC. Si tratta della stratopausa

Per quanto concerne la descrizione della meccanica del volo "classico" potremmo fermarci qui. Gli strati superiori dell'atmosfera sono appannaggio di mezzi quali missili, navette spaziali ecc.. E anche gli strati superiori della stratosfera vengono raramente sfiorati dagli aerei a getto che solitamente si accontentano di volare molto più in basso. Ritengo però possa risultare interessante per me e per voi, completare la descrizione.

Quindi continuiamo a salire e al di sopra della stratopausa troviamo la mesosfera. La sua altezza arriva ad una quota di circa 80 km dalla superficie. Qui la temperatura ricomincia a diminuire con l'altezza fino ad arrivare ad un minimo di che varia tra i -75 ed i -90 ºC.
Per quanto possa apparire incredibile a questa quota è ancora possibile la formazione di particolarissime nubi. Queste nubi, definite "notti lucenti" sono attualmente allo studio e si è ipotizzato che siano, almeno in parte, di origine antropica. Sarebbero originate forse, la cautela è d'obbligo, dall'attività delle navette spaziali con una formazione che può ricordare quella delle scie di condensa degli aeroplani.
Questo è anche lo strato in cui si rendono visibili le meteore.
Anche la mesosfera termina con uno strato in cui la temperatura è per una certa altezza costante. Si tratta della mesopausa.
Questo è il limite oltre il quale convenzionalmente si parla di "spazio". A 100 km di quota si trova la linea di Karman che convenzionalmente divide i voli astronautici da quelli definiti aeronautici.
In realtà a questa quota sono ancora presenti numerose molecole di diversi gas, sebbene molto rarefatti.
Ci troviamo nella termosfera. Qui la temperatura sale rapidamente a causa dei raggi cosmici che giungono senza alcuna schermatura e arriva anche a superare gli 800 ºC. Malgrado questo un corpo esposto al vuoto non si scalderebbe tanto. Infatti le molecole di gas sono così rarefatte da poter trasmettere pochissimo calore. In realtà per valutare il calore dell'atmosfera in condizioni simili, in cui l'impiego di un termometro sarebbe impossibile (non c'è abbastanza molecole per ricoprirne il bulbo), si ricorre alla "temperatura cinetica". Ovvero si considera la temperatura che quelle molecole dovrebbero avere al livello del mare per avere la stessa energia cinetica che hanno nello spazio.
Ancora più in alto troviamo la ionosfera. Qui le molecole di gas sono talmente rarefatte che, sebbene la sua altezza sia di circa 100 km, essa contiene solo l'uno % della massa gassosa dell'atmosfera. Qui le molecole dei gas sono riscaldate direttamente dalla radiazione solare e la temperatura arriva fino a 1700 ºC. La ionosfera assorbe gran parte delle radiazioni ionizzanti che investono la terra. I gas che la compongono, investiti dalla radiazione solare, si ionizzano e sono protagonisti delle aurore boreali. La ionosfera ha anche grande importanza per le comunicazioni radio, essendo in grado di riflettere le onde radio consentendo la loro propagazione anche oltre la linea dell'orizzonte.
La composizione chimica dei suoi gas, nella parte più bassa, è ancora simile a quella degli strati inferiori. Sono ancora presenti l'ossigeno e l'azoto. Superati però i 550 km di quota, questi gas smettono di essere presenti in modo prevalente sostituiti da elio ed idrogeno.
Infine troviamo l'esosfera. Qui la composizione dei gas cambia radicalmente e troviamo quasi esclusivamente elio ed idrogeno, particelle del vento solare. La temperatura (temperatura cinetica), arriva ai 2000 ºC e oltre. L'esosfera sfuma progressivamente nel vuoto interplanetario.

7 commenti:

  1. Ottimo inizio orso. Chiaro e per nulla pesante.

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  2. Quoto Nico. Interessante per chi, come me, sa qualcosa di quella palla di gas che ci circonda, ma non abbastanza da non volerne imparare di piu'.
    Ottimo lavoro, spero che continui.

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  3. Questo commento è stato eliminato dall'autore.

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  4. Grazie per i complimenti :-). Sto preparando il secondo articolo, con una sommaria descrizione delle parti che compongono un aeroplano. Poi seguirà un introduzione alle forze che agiscono su un aereo e sul loro equilibrio. Vorrei dopo approfondirle lo sviluppo della portanza e di come questa forza consenta anche la manovra dell'aereo oltre al suo sostentamento.
    Scrivo e preparo i disegni dal pad e dal portatilino da 10", visto che sono continuamente in trasferta. Questo impone qualche limitazione nella formattazione del testo.
    Inserirò, appena necessario, un indice degli articoli, credo sia possibile metterlo nella colonna laterale.

    Chiedo la cortesia a chi dovesse trovare refusi ed errori vari, di copia incollare nel commento l' intera frase o l'intero paragrafo corretto. Questo perchè dal pad o dal cellulare non è sempre facile andare a correggere la singola parola.
    Ero tentato di aprire un blog apposito per questi articoli. Però qui sono un po' più in evidenza. Potrei crearne un doppione ma tenerli aggiornati risulterebbe impegnativo.

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  5. Paolo el panza5 gennaio 2012 13:01

    Riguardo alle temperature reali a quelle elevatissime quote, si possono più o meno tenere valide quelle nel vuoto per un oggetto che non raggiunga alte velocità (ad esempio, durante il progetto HARP, quello di Bull, quello con una A sola) avevano sparato con dei cannoni delle "metsonde" a circa 70/80 km che appena liberatesi dell'ogiva scendevano appese a un paracadute. Nelle sonde c'era anche un termometro che qualcosa ha rilevato.
    Non ricordo però cosa, ho il libro di Bull, che riporta anche qualche dato dei rilievi, ma è sepolto dietro ad altri.

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  6. Mi intrometto anche se un po' OT, ma sempre di volo si parla....

    Questo lo conosci?
    http://www.rai5.rai.it/dl/Rai5/programma.html?ContentItem-531a405a-40fc-407f-91a9-a7010eff2c4c
    Ho visto le prime puntate via internet (grazie a Rai Replay): ho smesso di volare in aliante anni fa per motivi vari, ma mi è quasi spuntata una lacrimuccia! :-)

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  7. Certo che lo conosco e ho la fortuna di conoscere tutti i piloti fin qui intervistati. Grinza è colui che mi ha aiutato a pianificare i 300 (360 km per l'esattezza) .
    Ricomincia :-) il volo a vela è il più bel modo di stare per aria che io conosca.

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