UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PALERMO MASTER II LIVELLO IN

1. UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PALERMO MASTER II LIVELLO IN DIDATTICA DELLE SCIENZE PER INSEGNANTI DI SCUOLE MEDIE ED ELEMENTARI DIDATTICA E LABORATORIO DI SCIENZE DELLA TERRA L'atmosfera: un involucro d'aria INSEGNANTI: BENIGNO GIOVANNA MELIS BARBARA PANZICA GUENDALINA SANFILIPPO VENERE DOCENTI : PROF. RE VALERIO AGNESI PROF. RE CHRISTIAN CONOSCENTI

2. INDICE L’atmosfera: parte teorica L’origine e l’evoluzione dell’atmosfera L’atmosfera primitiva La composizione chimica dell’atmosfera attuale L’equilibrio chimico nell’atmosfera La struttura dell’atmosfera Gli strati atmosfericiTroposfera Stratosfera Mesosfera Termosfera Esosfera La pressione atmosferica Il barometro • Unità di apprendimento • L’atmosfera: un involucro d’aria • Premessa • Traguardi • Obiettivi di apprendimento • Obiettivi specifici • Contenuti • Destinatari • Metodologia • Attività • Verifica

3. ATMOSFERA PARTE TEORICA Insegnanti: G. Benigno B. Melis G. Panzica V. Sanfilippo

4. L’ORIGINE E L’EVOLUZIONE DELL’ATMOSFERA La Terra è un pianeta molto diverso dagli altri del sistema solare, soprattutto perché possiede un'atmosfera che contiene ossigeno, e ha una enorme riserva di acqua allo stato liquido. Solo per questo è stata possibile l'evoluzione di forme di vita fino a quella dell'uomo. Quando la Terra si formò, i materiali più pesanti si portarono verso il centro del pianeta, mentre i più leggeri restarono a formare strati più esterni, per effetto della legge di gravitazione. Durante il periodo di raffreddamento le esalazioni di gas vennero rilasciate dalla crosta terrestre in gran quantità e andarono a formare un involucro formato essenzialmente da anidride carbonica, elio, idrogeno, metano, ammoniaca e vapore acqueo. Si presuppone che questo involucro sia stato l’atmosfera primordiale.

5. L’atmosfera primitiva L'atmosfera primitiva deve la sua formazione e la sua composizione alle esalazioni soprattutto di azoto, anidride carbonica e vapore acqueo attraverso fratture prodotte dal bombardamento meteoritico e per processi vulcanici avvenuti nel passato, quando la Terra aveva già una crosta solida e la temperatura era più bassa; il primo ossigeno deriverebbe, invece, dalla scomposizione del vapore acqueo prodotta specialmente da scariche elettriche. L'azione dei raggi ultravioletti sulle molecole di anidride carbonica, di metano, di ammoniaca e di vapore acqueo, presenti in questa atmosfera ancora poco evoluta, è ritenuta responsabile della sintesi delle prime molecole organiche e, quindi, della materia vivente. L'acqua, condensatasi in nubi e precipitata nei bacini naturali (mari) fu responsabile dello stabilizzarsi della temperatura superficiale intorno ai 15°C. Furono le prime forme vegetali - in grado di assorbire anidride carbonica ed emettere ossigeno nell’atmosfera attraverso la funzione clorofilliana – a dare inizio alla formazione di aria, che man mano si portò a essere sempre più simile a quella attuale, con contenuti di ossigeno adeguati alla vita di un gran numero di piante e di animali, tra i quali, infine, l'uomo.

6. La composizione chimica dell’atmosfera attuale L’involucro gassoso che circonda la terra solida e liquida, trattenuto dalla forza di gravità, è chiamato atmosfera. L’aria non è una sostanza semplice, ma un miscuglio formato da gas diversi in prevalenza azoto per il 78%, e ossigeno per il 21% circa, il restante 1% è formato da anidride carbonica e da una serie di altri gas, tra i quali elio, argo, neon, cripto, xeno e rado, detti gas rari per la loro scarsissima quantità. Queste percentuali si riferiscono all’aria “secca”; infatti l’aria contiene anche quantità variabili di vapore acqueo che ne determina l’umidità. Infine nell’aria sono disperse finissime particelle solide (polveri, pollini, spore batteriche e di funghi) che formano il pulviscolo atmosferico.

7. L’equilibrio chimico nell’atmosfera La quantità di anidride carbonica presente nell’atmosfera è determinata da un equilibrio che si stabilisce tra oceano, rocce ed aria. L’oceano contiene anidride carbonica in quantità superiore a quella dell’atmosfera. L’oceano e l’atmosfera si scambiano continuamente anidride carbonica in modo che la sua percentuale nell’aria resta pressoché stabile.

8. Le funzioni dell’atmosfera Molto importanti sono le principali funzioni svolte dall’atmosfera: • è la sede dei fenomeni meteorologici; • fa da scudo contro l'ingresso delle meteore; • filtra i raggi ultravioletti; • permette la vita grazie alla presenza dei gas ossigeno e anidride carbonica; • mantiene e distribuisce sulla Terra il calore del Sole (se non esistesse l'atmosfera, ci sarebbe una differenza di temperatura tra il dì e la notte di circa 200 °C, come avviene sulla Luna).

9. La struttura dell’atmosfera L’atmosfera ha caratteristiche diverse di temperatura, di densità e di composizione, è quindi possibile distinguere in essa una struttura a zone a mano a mano che dal suolo si sale a livelli più elevati.

10. Gli strati atmosferici Le zone concentriche in cui i meteorologi dividono l’atmosfera, in base alle differenze di temperatura, alle diverse quote, si succedono dall’alto verso il basso: ESOSFERA TERMOSFERA MESOSFERA STRATOSFERA TROPOSFERA

11. La troposfera (livello del mare fino a 15 km di altezza) • È lo strato a diretto contatto con la superficie terrestre, quello in cui hanno luogo i principali movimenti dell’aria e i fenomeni meteorologici (venti, formazione di nubi e precipitazioni), da cui dipende il clima. • La troposfera è riscaldata dal basso, dal calore emesso dalla Terra: dunque la temperatura è massima nella zona a contatto della superficie e diminuisce con l’aumento dell’altezza.

12. La stratosfera (da 20 km a 50 km di altezza) Qui tutti i gas sono sempre più rarefatti e anche il vapor acqueo e il pulviscolo atmosferico diminuiscono. In essa è presente uno strato di ozono, un gas la cui molecola è formata da tre atomi di ossigeno (simbolo O3) e che svolge un’importantissima funzione: filtra i raggi ultravioletti (UV) che giungono dal sole e che, oltre una certa quantità, sono dannosi per gli organismi viventi.

13. La mesosfera (da 50 km a 90 km di altezza) In essa si incendiano e si disintegrano le meteore, corpi solidi che provengono dallo spazio proprio grazie all’attrito con l’aria molto rarefatta.

14. La termosfera (da 90 km a 400 km di altezza) È estremamente rarefatta (cioè ha densità molto bassa). In questo strato hanno sede le aurore polari, manifestazioni luminose talvolta visibili in prossimità dei poli, a forma di archi e raggi di diversi colori. Questo fenomeno è dovuto all’azione di radiazioni provenienti dal sole che colpiscono le molecole dei gas atmosferici, trasformandole in particelle cariche, che sono attratte magneticamente dai poli.

15. L’esosfera (da 500 km a oltre 1.000 km di altezza) È lo strato più esterno dell’atmosfera, il più rarefatto, ciò provoca una fuga delle molecole (di idrogeno ed elio soprattutto) dall’attrazione della terra e la perdita nello spazio.

16. ¼ della pressione atmosferica rispetto al livello del mare 10 Km La pressione atmosferica diminuisce con l’altitudine LIVELLO DEL MARE LA PRESSIONE ATMOSFERICA Il merito di aver intuito e dimostrato per primo, nel 1643, che l’aria esercita una pressione, spetta ad Evangelista Torricelli. L’aria è, come abbiamo visto, costituita da una miscela di gas come tutti i corpi. E’ perciò soggetta all’attrazione gravitazionale terrestre ed esercita una pressione su tutto ciò che sovrasta. Si chiama pressione atmosferica il peso dell’aria che grava sull’unità di area della superficie terrestre. E’ importante ricordare che la pressione atmosferica diminuisce con l’altezza; infatti trasportando un barometro in montagna, vediamo che l’altezza della colonna di mercurio è sensibilmente minore di quella al livello del mare. Questo avviene perché man mano che ci si solleva dalla superficie terrestre, diminuisce la quantità di aria sovrastante, per cui dovrà diminuire corrispondentemente anche il suo peso.

17. IL BAROMETRO Lo strumento che serve a misurare la pressione atmosferica è il barometro (il termine barometro deriva dalle parole greche baros=peso e metron=misura). L’unità di misura della pressione attualmente usata in meteorologia è l’ettopascal e la pressione atmosferica normale equivale quindi a 1013 ettopascal (hPa). In particolare, si dice pressione atmosferica normale quella esercitata da una colonna di mercurio alta 760 mm sull’unità di superficie (1cm²), misurata a livello di mare, alla temperatura di 0°C e alla latitudine di 45°. Una pressione superiore a quella normale si dice alta pressione, una inferiore si dice bassa pressione. Il barometro più preciso, usato anche oggi, è il barometro a mercurio di Torricelli. Per ottenere una registrazione continua delle variazioni della pressione, si usano particolari barometri, detti barografi.

18. L'ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Insegnanti: G. Benigno B. Melis G. Panzica V. Sanfilippo

19. PREMESSA L’U.d.A. è riferita alle Indicazioni per il curricolo per il primo ciclo d’istruzione. Si propone di fare conoscere ai bambini l’atmosfera; la sua composizione, i suoi strati e le sue funzioni in relazione alla vita sulla Terra. Si scoprirà, inoltre, la grande forza della pressione atmosferica e come è possibile misurarla, aumentarla e utilizzarla per far vincere la forza di gravità.

20. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA • Ricava informazioni geografiche da una pluralità di fonti (cartografiche e satellitari, fotografiche, artistiche e letterali). • Con la guida dell’insegnante in collaborazione con i compagni, ma anche da solo, formula ipotesi e previsioni, osserva, registra, classifica, schematizza, identifica relazioni spazio - temporali, utilizza concetti basati su semplici relazioni con altri concetti, argomenta, deduce, prospetta soluzioni e interpretazioni, prevede alternative, ne produce rappresentazioni grafiche e schemi di livello adeguato. TRAGUARDI

21. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA • Estendere le proprie carte mentali al territorio italiano e a spazi più lontani, attraverso gli strumenti dell’osservazione indiretta (filmati e fotografie, documenti cartografici e immagini da satellite, ect.). • Osservare, descrivere, confrontare, correlare elementi della realtà circostante, cogliendone somiglianze e differenze e operando classificazioni secondo criteri diversi. • Acquisire familiarità con la variabilità dei fenomeni atmosferici. OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO

22. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA • Effettuare semplici sperimentazioni con l’aria, per individuarne l’esistenza, le caratteristiche e il comportamento in diverse situazioni. • Conoscere la composizione chimica dell’atmosfera. • Saper costruire e utilizzare semplici strumenti per osservare le variazioni atmosferiche. • Usare consapevolmente le esperienze per osservare, riflettere ed esprimere. • Trarre informazioni e conoscenze dall’esperienza concreta. • Acquisire spirito critico e capacità di formulare il pensiero in modo preciso. • Analizzare fenomeni per riflettere ed esprimere ipotesi e soluzioni. OBIETTIVI SPECIFICI

23. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA • L’atmosfera • L’ossigeno nell’aria • Il peso dell’aria • La pressione atmosferica • Aria calda e aria fredda: i fenomeni atmosferici • Il barometro CONTENUTI

24. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA DESTINATARI • Alunni classe quinta • Geografia • Scienze RIFERIMENTO RACCORDI INTERDISCIPLINARI • Italiano • Scienze e tecnologia DURATA DELL’ U.D.A • 20 ore SUSSIDI E SUPPORTI DIDATTICI • Schede di lavoro • Questionari

25. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Metodologia Sarà messa in atto una didattica costruttiva dove è il soggetto attivo che costruisce le proprie conoscenze collaborando e cooperando. A tal fine il percorso didattico prevede e propone attività specifiche che porteranno gli alunni a saper formulare ipotesi, ad indagare e dare risposte alle domande poste. Questa modalità di lavoro consente ad ognuno di attingere dapprima alle proprie personali conoscenze e successivamente, nel momento della condivisione, di recuperare e interiorizzare informazioni che non conosceva. Pertanto è necessario progettare un assetto laboratoriale e preparare situazioni didattiche in cui gli alunni possano sperimentare, usando una molteplicità di strumenti comunicativi ed informativi, per costruire la propria conoscenza.

26. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Fasi e operatività Prima lezione in classe: Cos’è l’atmosfera

27. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Visione del pianeta terra dal satellite Atmosfera visibile Atmosfera non visibile

28. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Fasi e operatività Seconda lezione in classe: L’aria è dovunque

29. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA

30. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività Le bollicine della bottiglia • Che cosa occorre • Un barattolo di vetro trasparente • Un foglio di carta da cucina • Un recipiente trasparente (più alto del barattolo) contenente acqua • Come procedere • Sistema il foglio di carta da cucina sul fondo del barattolo in modo che non si muova

31. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività Le bollicine della bottiglia Come procedere • Capovolgi il barattolo e immergilo fino a toccare il fondo del recipiente

32. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Le bollicine della bottiglia • Che cosa succede? • l’acqua non entra nel barattolo • Perché…… • …. l’aria contenuta nel barattolo impedisce all’acqua di entrare e • raggiungere la carta: infatti, quando toglierai il barattolo dall’acqua, • potrai verificare che la carta è rimasta asciutta. Il barattolo era solo • apparentemente vuoto!

33. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività Le bollicine della bottiglia • Quando tocca il fondo, inclinalo • Che cosa succede? • dal barattolo escono delle bolle che salgono in superficie e scoppiano; • l’acqua entra nel barattolo e la carta si bagna • Perché…… • …. l’aria che riempie il barattolo trova una via d’uscita e sale; l’acqua ha così la possibilità di prenderne il posto

34. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Fasi e operatività Terza lezione in classe: Cosa c’è nell’aria?

35. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA

36. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività Candela accesa candela spenta • Che cosa occorre • Un piatto fondo • Una candela • Un barattolo di vetro trasparente più alto della candela • Acqua • Inchiostro • Un fiammifero • Pongo

37. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività Candela accesa candela spenta • Come procedere • Fissa la candela al piatto con un po’ di pongo • Versa nel piatto un po’ d’acqua, nella quale avrai sciolto qualche goccia d’inchiostro per renderla più visibile • Fai accendere a un adulto la candela e • coprila con il barattolo di vetro

38. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività Candela accesa candela spenta • Che cosa succede? • Dopo qualche istante la fiamma si spegne e • l’acqua dal piatto entra nel barattolo, • occupandone circa un quinto • Perché…… • …. la candela, bruciando, consuma una parte dell’aria, l’ossigeno. L’acqua, spinta dalla pressione esterna, entra nel barattolo occupando lo spazio lasciato libero dall’ossigeno, ma non può riempirlo tutto perché una parte dell’aria, prevalentemente costituita da azoto, lo occupa ancora

39. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Fasi e operatività Terza lezione in classe: L’aria pesa

40. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA

41. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività L’aria pesa • Che cosa occorre • una bacchetta di plastica lunga 13 cm • due palloncini uguali • una lattina • nastro adesivo • una matita

42. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività L’aria pesa • Come procedere • Segna con la matita la metà della bacchetta • Fissa i due palloncini alle estremità della bacchetta con il nastro adesivo

43. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività L’aria pesa Come procedere 3.Appoggia il centro della bacchetta sulla lattina • Che cosa succede? • la bacchetta con i palloncini rimane orizzontale

44. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività L’aria pesa • Perché…… • …. I palloncini hanno lo stesso peso Successivamente …… 4.Gonfia al massimo uno dei due palloncini e attaccalo nuovamente alla bacchetta, facendo attenzione a mantenere il punto d’appoggio precedente

45. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività L’aria pesa • Che cosa succede? • la bacchetta si inclina dalla parte del palloncino più gonfio • Perché…… • …. l’aria chiusa al suo interno lo rende più pesante di quello meno • gonfio

46. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA ORGANIZZAZIONE DIDATTICA Fasi e operatività Quarta lezione in classe: La pressione dell’aria

47. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA

48. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività Una forza invisibile • Che cosa occorre • Un righello • Un grande foglio di carta • Un tavolo come base di appoggio

49. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività Una forza invisibile Come procedere • Appoggia il righello sul tavolo in modo che sporga dal bordo per circa un terzo • Metti il foglio di carta sulla parte del righello che sta sul tavolo, facendolo aderire bene al piano di appoggio • Dai un colpo alla parte sporgente del righello per far saltare in aria il foglio (attenzione: un colpo troppo forte potrebbe rompere il righello!)

50. L’ATMOSFERA: UN INVOLUCRO DI ARIA Attività Una forza invisibile • Che cosa succede? • Il foglio impedisce al righello di sollevarsi • Perché…… • …. I’aria preme sulla carta; poiché la superficie del foglio è molto ampia, la quantità di aria che la sovrasta è tale da impedire che il foglio si sollevi, nonostante la forza del nostro corpo