La vita sulla Terra nuota in fondo a un oceano d'aria. I visitatori provenienti da altre parti del sistema solare non troverebbero invitante l'atmosfera terrestre. Anche le prime forme di vita della Terra troverebbero tossica l'attuale massa d'aria terrestre. Eppure gli abitanti della Terra prosperano in questa miscela unica di azoto e ossigeno che gli umani chiamano aria.
Esistenza dell'aria
L'esistenza dell'aria sulla Terra, come le atmosfere di altri pianeti, è iniziata prima che il pianeta si formasse. L'attuale atmosfera terrestre si è sviluppata attraverso una sequenza di eventi iniziata con il sistema solare a coalescenza.
La prima atmosfera della Terra
La prima atmosfera della Terra, come la polvere e le rocce che formarono la Terra primordiale, si unirono durante la formazione del sistema solare. Quella prima atmosfera era un sottile strato di idrogeno ed elio che spazzò via dal caos di rocce calde che alla fine sarebbe diventata la Terra. Questa atmosfera temporanea di idrogeno ed elio proveniva dai resti della palla gassosa che divenne il sole.
La seconda atmosfera terrestre
La calda massa di roccia che divenne la Terra impiegò molto tempo a raffreddarsi. I vulcani hanno fatto gorgogliare e rilasciato gas dall'interno della Terra per milioni di anni. I gas principali rilasciati erano anidride carbonica, vapore acqueo, idrogeno solforato e ammoniaca. Nel tempo questi gas si sono accumulati per formare la seconda atmosfera terrestre. Dopo circa 500 milioni di anni, la Terra si è raffreddata abbastanza da permettere all'acqua di iniziare ad accumularsi, raffreddando ulteriormente la Terra e alla fine formando il primo oceano della Terra.
La terza (e attuale) atmosfera terrestre
I primi fossili riconoscibili della Terra, batteri microscopici, risalgono a circa 3,8 miliardi di anni. Entro 2,7 miliardi di anni fa, i cianobatteri popolavano gli oceani del mondo. Cianobatteri ossigeno rilasciato nell'atmosfera attraverso il processo di fotosintesi. All'aumentare dell'ossigeno nell'atmosfera, l'anidride carbonica diminuiva, consumata dai cianobatteri fotosintetici.
Allo stesso tempo, la luce solare ha causato la rottura dell'ammoniaca atmosferica in azoto e idrogeno. La maggior parte dell'idrogeno più leggero dell'aria è volato verso l'alto e alla fine è fuggito nello spazio. L'azoto, tuttavia, si è gradualmente accumulato nell'atmosfera.
Circa 2,4 miliardi di anni fa, l'aumento dell'azoto e dell'ossigeno nell'atmosfera ha portato a un passaggio dalla prima atmosfera riducente alla moderna atmosfera ossidante. L'attuale atmosfera di 78 percento di azoto, 21 percento di ossigeno, 0,9 percento di argon, 0,03 percento di anidride carbonica e piccoli quantità di altri gas rimane relativamente stabile a causa della fotosintesi di piante e batteri bilanciata da animali respirazione.
Vivere in un oceano d'aria
La maggior parte del tempo e della vita sulla Terra si verificano nella troposfera, lo strato atmosferico più vicino alla superficie terrestre. Al livello del mare, la forza della pressione dell'aria è uguale a 14,70 libbre per pollice quadrato (psi). Questa forza deriva dalla massa dell'intera colonna d'aria sopra ogni pollice quadrato di una superficie. Allora da dove viene l'aria in un'auto? Poiché le auto non sono contenitori ermetici, la forza dell'aria sopra e intorno all'auto spinge l'aria all'interno dell'auto.
Ma da dove viene l'aria in aereo? Gli aeroplani sono più ermetici delle automobili, ma non completamente ermetici. La forza dell'aria sopra e intorno all'aereo riempie l'aereo di aria. Sfortunatamente, gli aeroplani moderni navigano a o sopra i 30.000 piedi dove il l'aria è troppo rarefatta per far respirare l'uomo.
L'aumento della pressione dell'aria in cabina a una pressione sostenibile richiede il reindirizzamento di parte dell'aria dai motori dell'aereo. L'aria compressa e riscaldata dai motori passa attraverso una serie di refrigeratori, ventilatori e collettori prima di essere aggiunta all'aria nella cabina dell'aereo. I sensori di pressione aprono e chiudono una valvola di deflusso per mantenere una pressione dell'aria in cabina tra 5.000 e 8.000 piedi sopra il livello del mare.
Il mantenimento di una maggiore pressione dell'aria ad altitudini più elevate richiede l'aumento della resistenza strutturale del guscio dell'aereo. Maggiore è la differenza tra la pressione dell'aria interna e la pressione dell'aria esterna, più forte è il guscio esterno richiesto. Mentre la pressione al livello del mare è possibile, la pressione equivalente a 7.000 piedi sopra il livello del mare, circa 11 psi, viene spesso utilizzato nelle cabine degli aerei. Questa pressione è confortevole per la maggior parte delle persone riducendo la massa dell'aereo.
Aria, (Quasi) Ovunque
Quindi da dove viene l'aria nell'acqua bollente? La risposta, in poche parole, è aria disciolta. La quantità di aria disciolta nell'acqua dipende dalla temperatura e dalla pressione. All'aumentare della temperatura, la quantità di aria che può essere disciolta in acqua diminuisce. Quando l'acqua raggiunge la temperatura di ebollizione, 212°F (100°C), l'aria disciolta esce dalla soluzione. Poiché l'aria è meno densa dell'acqua, le bolle d'aria salgono in superficie.
Al contrario, la quantità di aria che può essere disciolta in acqua aumenta all'aumentare della pressione. Il punto di ebollizione dell'acqua diminuisce con l'elevazione perché la pressione dell'aria diminuisce. L'uso di un coperchio aumenta la pressione sulla superficie dell'acqua, aumentando la temperatura di ebollizione. L'effetto di una pressione più bassa sulle temperature di ebollizione richiede aggiustamenti della ricetta durante la cottura ad altitudini più elevate.