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L'esplorazione meteorologica strumentale ha permesso di stabilire che il miscuglio di gas che avvolge il nostro pianeta non presenta caratteristiche omogenee. La composizione dell'atmosfera nella porzione più bassa, presso la superficie terrestre, è ben conosciuta. Oltre al vapore acqueo e alle impurità presenti, l'aria che ci circonda e che respiriamo contiene in media: il 78% di azoto, il 20% di ossigeno, lo 0,93% di argon e lo 0,03% di anidride carbonica e per circa lo 0,01% di altri gas oltre a questi componenti, l'atmosfera contiene sempre una certa quantità di polveri provenienti dalla superficie terrestre e dallo spazio interplanetario, sali e prodotti di combustione che costituiscono il pulviscolo atmosferico. Nell'atmosfera si possono distinguere varie parti sovrapposte, "sfere", ognuna con caratteristiche particolari, separate da limitate zone di transizione, "pause".

La "troposfera" (tropos = mutamento) è la parte più bassa e più densa dell'atmosfera, il regno delle perturbazioni meteorologiche e della vita, in essa sono concentrati circa i 3/4 dell'intera massa gassosa e quasi tutto il vapore acqueo nell'atmosfera. Ne segue la "tropopausa". La "troposfera" è caratterizzata dalla presenza di movimenti orizzontali e verticali di masse d'aria. Il loro trasporto orizzontale provoca moti turbolenti che producono un continuo riscaldamento dell'aria. A causa dei moti verticali ascendenti e discendenti delle masse d'aria, si formano e si dissolvono le nubi e si hanno le precipitazioni. 

Nella "stratosfera" i componenti gassosi rimangono in proporzioni costanti ma sono sempre più rarefatti. Il vapore acqueo ed il pulviscolo atmosferico diminuiscono rapidamente con la quota e non si hanno formazioni nuvolose con precipitazioni. La temperatura della stratosfera aumenta verso l'alto , questo aumento è dovuto alla presenza di uno strato di ozono, l'"ozonosfera", una specie di "scudo" che assorbe gran parte delle radiazioni solari ultraviolette, specie quelle di più alta energia. Segue la "stratopausa". 

La "mesosfera" è caratterizzata da una accentuata rarefazione degli elementi gassosi e da un graduale aumento di quelli più leggeri a scapito di quelli più pesanti. Segue la "mesopausa". 

Nella "termosfera" le proporzioni dei vari componenti gassosi appaiono cambiate e la densità assume valori sempre minori, mano a mano che si procede verso l'alto. Segue la "termopausa".

Un aspetto interessante della parte di atmosfera posta sopra i 50/70 km è la sua ionizzazione, cioè la presenza di moltissime particelle dotate di cariche elettriche prodotte dalle radiazioni X ed ultraviolette solari e dai raggi cosmici.

Il fenomeno interessa soprattutto la termosfera, che perciò viene denominata anche "ionosfera". Nella "ionosfera" si formano le aurore polari, quelle manifestazioni luminose in aria rarefatta e ionizzata, che si osservano nel cielo delle regioni polari, sottoforma di raggi, di archi e drappeggi multicolori.

L'"esosfera" è la parte più esterna e perciò la meno conosciuta dell'involucro aeriforme che circonda la Terra.

La regione dove le particelle gassose sono ormai fuori dal campo di gravitazione del nostro pianeta e non partecipano più alla rotazione terrestre è detta "frangia dell'atmosfera".

Quasi tutta l'energia che la popolazione umana ha a disposizione deriva, direttamente o indirettamente, dal Sole; la quantità di calore proveniente da altri corpi celesti, dall'interno della Terra a da processi di ossidazione in superficie è, al confronto, trascurabile. Come un'immensa fornace atomica, il Sole emette continuamente una radiazione intensissima, di questa radiazione solare inviata nello spazio, la Terra riceve soltanto una porzione modesta, pari a quasi mezzo miliardesimo del totale. Ciò equivale a dire che al limite della superficie dell'atmosfera, su ogni centimetro quadrato di superficie, arrivano circa due piccole calorie al minuto. Questa quantità è detta "costante solare". L'energia solare ci giunge sotto forma di radiazioni, ossia di onde elettromagnetiche, la Terra riceve energia dal Sole, la assorbe e la converte in calore e, di conseguenza, emette anch'essa energia, sotto forma di radiazioni. Il sistema Terra-Atmosfera, guadagna e perde energia: il divario fra la radiazione solare che entra e la radiazione terrestre che esce forma il bilancio termico. Il rapporto fra la quantità di energia che viene riflessa immediatamente nello spazio e l'energia totale in arrivo nel sistema Terra-Atmosfera si può valutare intorno al 35%. Questo sistema dispone soltanto del 65% della radiazione solare incidente: la quantità assorbita dalla superficie delle terre emerse e degli oceani è notevolmente maggiore di quella assorbita dall'atmosfera. Di conseguenza, la gran parte del calore atmosferico deve derivare indirettamente dalla superficie terrestre. Riscaldando l'aria dal di sotto. L'atmosfera lascia passare le radiazioni luminose solari, ma intercetta le radiazioni termiche terrestri e così può mantenersi calda. Tale comportamento, dovuto principalmente alla presenza del vapore acqueo e dell'anidride carbonica è noto sin dalla fine del XIX sec. e viene indicato come "effetto serra". 

I cosiddetti "gas serra" (CO₂, metano CH₄, protossido d'azoto N₂O e alcuni dei gas prodotti da attività umane) fanno si che la temperatura superficiale della Terra sia attualmente di circa 35° C superiore a quella che si avrebbe in loro assenza. Il sistema Terra-Atmosfera restituisce allo spazio la stessa quantità di energia che riceve dal Sole. Questo equilibrio termico si verifica nel corso di un intero anno e per il globo terrestre nel suo complesso.

- L'escursione termica giornaliera, ossia la differenza di temperatura in un giorno, è legata alle condizioni meteorologiche. E' resa irregolare dai fenomeni di condensazione del vapore acqueo ed è ridotta dalla presenza di ammassi nuvolosi che ostacolano l'irradiazione solare e la dispersione del calore; è maggiore d'estate che d'inverno.

- L'escursione termica media annua, ossia la differenza fra la temperatura media del mese più caldo e quella del mese più freddo, è minima all'equatore e va aumentando verso i poli a causa del sempre maggiore divario fra la quantità di calore ricevuta d'estate e quella ricevuta d'inverno. A parità di latitudine, essa è maggiore nell'interno dei continenti che in prossimità degli oceani; tende a diminuire col crescere l'altitudine. 

Per avere una visione immediata della distribuzione della temperatura, si usa segnare sulla carta geografica il valore della temperatura misurata e si congiungono tutti i punti in cui la temperatura è risultata la stessa: le linee così ottenute sono le "isoterme". Le carte delle isoterme mostrano come la distribuzione della temperatura dell'aria sulla superficie terrestre sia in stretta relazione con i fattori geografici i quali determinano l'esistenza di zone termiche non coincidenti con le zone astronomiche.

Anche l'atmosfera ha un peso. La pressione atmosferica ossia il rapporto fra il peso dell'aria e la superficie su cui essa agisce ha un valore che corrisponde pressappoco a 1033g / cm² o 1013 * 10³ dyn / cm³ e questo rappresenta l'unità di pressione, o pressione normale, e prende il nome di atmosfera. Spesso la pressione atmosferica viene espressa con la sola altezza in mm della colonnina di mercurio del barometro: ma l'unità di misura adottata dalla meteorologia è il millesimo di bar o millibar. 

La pressione atmosferica è legata a diversi fattori geografici e meteorologici che la fanno variare da luogo a luogo della superficie terrestre ed anche da momento a momento nella stessa località. Dipende innanzitutto dall'altitudine, elevandosi sopra il livello del mare essa diminuisce, perchè si riduce lo spessore della colonna d'aria sovrastante che grava sull'unità di superficie; e più accentrata negli strati inferiori e si va attenuando con il procedere dell'altezza.

Essa varia anche con il variare della temperatura. Col riscaldamento l'aria si dilata, diventa meno densa e quindi il suo peso per unità di superficie diminuisce ed essa tende a spostarsi verso l'alto, col raffreddamento l'aria diventa più densa e perciò più pesante e tende a portarsi verso il basso. Essa diminuisce con l'aumentare della quantità di vapore acqueo presente nell'aria: a parità di temperatura un dato volume di vapore acqueo, pesa meno di un egual volume di aria secca. 

Lo studio della distribuzione della pressione atmosferica sulla superficie terrestre si esegue segnando sulle carte geografiche le isobare, linee che uniscono i punti di ugual pressione ridotta a livello del mare. Le isobare delimitano zone dove la pressione è più alta da altre dove essa è più bassa: le prime vengono dette "aree anticicloniche" o "anticicloni" e sono quelle nella quali l'aria, più pesante, tende a spostarsi verso il basso e a divergere con moto vorticoso verso le circostanti zone di bassa pressione; le seconde sono dette "aree cicloniche" o "cicloni" e sono quelle in cui l'aria, meno densa, si sposta verso l'alto e converge vorticosamente al centro. I movimenti d'aria che avvengono parallelamente alla superficie terrestre, dalle zone anticicloniche verso le zone cicloniche, sono i venti; la loro velocità si misura con gli anemometri. Alcuni venti locali sono le brezze di mare e di terra: essi spirano alternativamente dal mare verso la terra nelle ore diurne e dalla terra verso il mare nelle ore notturne. Estesi su spazi molto più vasti, producono sistemi di venti che possono coinvolgere regioni molto ampie ad esempio nell'asia meridionale ecc...

Qui si hanno importanti venti periodici a ritmo stagionale che interessano la troposfera: sono i "monsoni" che soffiano dal mare verso il continente nel semestre estivo, apportando piogge e dal continente verso il mare nel semestre invernale, durante il quale sono freddi e secchi.

- I lineamenti essenziali della circolazione nella bassa troposfera si possono indicare nella esistenza, in ciascuno degli emisferi a nord e a sud dell'equatore di tre distinti sistemi di venti che prendono origine da zone di differente pressione. Alle basse latitudini la velocità lineare di rotazione della Terra è maggiore di quella dei moti dell'aria, che perciò tendono ad assumere direzione prevalente, da est verso ovest: si hanno così due zone di venti orientali, detti "alisei" che spirano da NE nell'emisfero boreale e da SE nell'emisfero australe, convergendo verso l'equatore, dove è situata una zona di basse pressioni equatoriali. Intorno ai 30° di latitudine Nord e Sud, l'aria si muove con la stessa velocità della Terra e vi regnano due zone simmetriche di alte pressioni subtropicali, dalle quali le masse d'aria divergono tanto verso l'equatore che verso le medie latitudini. Nelle zone comprese fra i 35° ed i 55° di latitudine l'aria si muove più velocemente della Terra determinando venti da Ovest: in queste regioni soffiano i venti occidentali, che muovono dalle alte pressioni subtropicali verso le due zone di basse pressioni subpolari. Alle latitudini estreme si hanno i venti orientali polari, che provengono dalle zone di alte pressioni polari circostanti ai due poli e sono diretti originariamente verso le basse pressioni subpolari: anche essi vengono deviati dalla rotazione della Terra, oltre ad essere modificati nel loro percorso dall'attrito con la superficie terrestre. Pur essendo presente in quantità molto variabile nello spazio e nel tempo, il vapore acqueo è uno dei più importanti componenti dell'atmosfera. Esso proviene dalla continua evaporazione del mare e dalla traspirazione delle piante. Il vapore così prodotto si trasforma in nubi e nebbie, precipita in forme varie e torna sulla superficie terrestre, da dove il "ciclo dell'acqua" riprende. L'intensità dell'evaporazione varia con la temperatura aumentando al crescere di questa, e agevolata dal vento e dalla secchezza dell'aria. La traspirazione è influenzata dall'insolazione e varia nelle diverse essenze vegetali.

L'umidità assoluta è la quantità di vapore acqueo contenuta nell'unità di volume di aria in un dato momento e in un determinato punto dell'atmosfera. Essa varia innanzitutto con la temperatura. L'aria non può contenere più di una certa quantità di vapore acqueo, arrivata ad un certo punto essa ne diviene satura, il limite di saturazione varia però con la temperatura, maggiore è la temperatura più vapore acqueo può essere contenuto in un dato volume di aria. Più che l'umidità assoluta è utile conoscere l'umidità relativa che è il rapporto tra la quantità di vapore acqueo, effettivamente presente in un dato volume di aria, e la massima quantità che potrebbe esservi contenuta alla medesima temperatura. L'umidità relativa che viene misurata con gli "igrometri" si esprime in percentuale: per l'aria satura l'UR è del 100%, mentre un valore di UR del 50% indica che il vapore acqueo contenuto nell'aria è solo la metà di quanto necessario per sopportarla. Essendo strettamente legata al limite di saturazione, l'umidità relativa tende a variare in senso inverso alla temperatura.