Consideriamo innanzitutto l’aria che respiriamo sulla Terra.
È una miscela di gas, oltre al vapore acqueo (dallo 0% al 4%) e alle polveri.
I gas principali sono:
– Azoto (N₂): 78,08%, molecola composta da due atomi di azoto
– Ossigeno (O₂): 20,95%, molecola composta da due atomi di ossigeno
– Argon (Ar): 0,93%, un gas nobile, detto così perché non si lega in molecole (avendo il guscio elettronico esterno completo degli 8 elettroni ammessi)
– Anidride carbonica (CO₂): circa 0,04%, composta da un atomo di carbonio e due di ossigeno.
Con le approssimazioni il totale dà 100% ma ci sono tracce anche di altri gas, come neon (Ne), elio (He), metano (CH₄), ozono (O₃).
Conosciamo per esperienza quotidiana le proprietà elastiche che la rendono comprimibile e materializzano il concetto di pressione (forza applicata su una superficie), ma al peso non ci si pensa.
Un litro ovvero un decimetro cubo di aria, secca al livello del mare a una temperatura standard di 15° C, pesa circa 1,2 grammi.
Detto così sembra poco, ma vuol dire che 1 metrocubo pesa 1,2 Kg. Ecco perché ‘pesano’ i Km di aria che abbiamo sopra la testa, nei quali, salendo, i gas sono sempre più rarefatti e l’aria pesa meno, ma si tratta di decine di km se non di più (per dare una stima più precisa bisognerebbe stabilire un limite di pressione o di peso specifico). Questo peso, ovviamente determinato dalla attrazione gravitazionale, è notevole: la pressione standard di 1 atmosfera, corrisponde a circa 1 Kg di peso per ogni centimetro quadrato. Ovvero per ogni centimetro quadrato del nostro corpo (poco meno di un unghia media) la forza che agisce è pari a 1 Kg di peso.
Non ne siamo schiacciati e sostanzialmente non ce ne accorgiamo perché dall’interno il nostro corpo esercita una pressione uguale e contraria: siamo sostanzialmente dei palloni che non esplodono perché le pressioni si bilanciano. Inoltre la pressione agisce in tutte le direzioni, non solo quella verticale, quindi non ne siamo ‘spinti’, ricevendo la spinta da ogni parte.
Lo strumento per misurare la pressione atmosferica fu inventato nel 1643 da Evangelista Torricelli (1608-1647), allievo di Galileo Galilei (1564-1642), osservando che un tubo trasparente chiuso a una estremità riempito di mercurio, se posto rovescio in una bacinella contenente sempre mercurio, menteneva una altezza di circa 76 cm, come in Figura 1. Quindi il peso del mercurio nel tubo doveva essere equivalente al peso dell’aria. L’unità di misura standard per la pressione atmosferica è il Pascal (o l’ettoPascal, hPa, pari a 100 Pascal, chiamato in metereologia millibar come sottomultiplo del bar).
Una atmosfera, definita come la pressione media al livello del mare, corrisponde a 1.013 hPa ed è la misura più semplice per le spiegazioni immediate. Ad esempio salendo di quota l’andamento non è lineare, perché come sopra detto l’aria diventa più leggera, ma all’inizio la pressione si dimezza ogni circa 5.500 metri. Per dare misure facilmente sperimentabili, a quota 1.500 metri rispetto al livello del mare la pressione è circa l’84%, a 3.000 metri è circa il 69%. Come a dire che a 1.500 metri di quota la differenza di pressione (ma in negativo) è pari a quella di un paio di metri di profondità in acqua, per questo anche salendo in montagna spesso è necessario compensare la pressione sui nostri timpani.
Figure 1 – Barometro di Torricelli (fonte: ecoage.it su licenza CC Creative Commons)
In questo post non approfondisco le questioni metereologiche ma è evidente che in base al contenuto di umidità e alla temperatura questo peso cambia, determinando le differenza tra diverse località che generano i fenomeni meteo: vento, nuvole, pioggia, fronti di masse d’aria, ecc.
Tornando al peso, in analogia alla misura di una atmosfera, osserviamo che questa corrisponde a una colonna d’acqua di circa 10 metri (per la grande differenza di densità dei due fluidi: il mercurio quasi 14 volte quella dell’acqua). Quindi la pressione dei Km di aria sopra di noi è equivalente a 10 metri d’acqua, ovvero quando ci immergiamo nell’acqua, a 10 metri di profondità riceviamo una pressione circa doppia rispetto a prima di immergerci. Ok, non è una cosa che le persone fanno normalmente, ma chi si è immerso anche solo qualche metro si è ben accorto della pressione esterna (e della necessità di ‘compensare’ quella interna sui timpani). Facendo delle semplici moltipliche, questo vuol dire che a 50 metri di profondità il ‘peso’ è di 5 Kg per cm², a 1.000 metri è di 100 Kg per cm².
Nella fossa delle Marianne, dove arrivò per primo il batiscafo Trieste (costruito in Italia, Figura 2) con i pionieri dell’esplorazione Jacques Piccard e Don Walsh, nel 1960 a quasi 11.000 metri di profondità, la pressione era oltre una tonnellata per cm². Per resistere lo scafo in acciaio aveva uno spessore di circa 13 cm!
Figure 2 – Batiscafo Trieste (fonte repubblica.it)
E quanto pesa l’aria su Marte?
L’atmosfera marziana è composta circa al 95% di anidride carbonica (CO₂) (l’ossigeno è solo circa lo 0,13%). La pressione è molto bassa, circa l’1% di quella terrestre, circa 6 hPa contro i nostri 1013 hPa.
Potrebbe sembrare un paradiso per le piante che respirano la CO₂, ma a parte che di notte le piante respirano anche ossigeno (quindi soffocherebbero), la pressione molto bassa e la temperatura estremamente bassa (-60° C) non consentirebbero all’acqua di essere liquida quindi anche la biochimica della pianta si fermerebbe.
Un problema significativo di una pressione molto bassa per il corpo umano è il cosiddetto limite di Armstrong (circa 63 hPa), al di sotto del quale l’acqua e il sangue (a temperatura corporea) inizierebbero a ‘bollire’ spontaneamente perché la pressione esterna è troppo bassa per mantenerli allo stato liquido. Una passeggiata su Marte senza tuta pressurizzata è decisamente sconsigliata, a prescindere dalla temperatura e dalla mancanza di ossigeno!! Sulla Terra si raggiunge questo limite intorno ai 18 km di quota.
Su Giove le cose ‘peggiorano’ notevolmente: innanzitutto non esiste una superfice solida, il pianeta è interamente gassoso, costituito da circa il 90% di idrogeno (H₂) e 10% di elio (He), oltre a tracce di altri gas (che sono quelli che determinano le macchie colorate che si osservano, vedi Figura 3), che procedendo dagli strati più esterni a seguito della pressione diventano liquidi e con temperature elevatissime, forse 30.000° C nella zona del nucleo, costituito da idrogeno metallico fuso (cioè che si comporta come un metallo fuso, ad esempio il mercurio) che determinano il suo intenso campo magnetico (da 20 a 50 volte quello terrestre e più del doppio di quello del Sole, a parte nelle macchie solari, dove è anche 300 volte più intenso). La pressione che esternamente è dell’ordine di grandezza della nostra, verso il centro arriva probabilmente a 100 milioni di volte.
Giove è sostanzialmente una stella mancata, un postaccio.
Figure 3 – Giove (fonte: Nasa / Space Telescope Science Institute, 2017)
