Lo studio dell’atmosfera

I primi studi scientifici sulla composizione atmosferica iniziarono nel XVIII secolo. La natura dell’aria, infatti, è rimasta un mistero per molto tempo e solo dopo il 1770 Joseph Priestley (1733-1804), noto per i suoi studi pionieristici sull’atmosfera, dimostrò che l’aria contiene qualcosa di indispensabile per la vita degli animali, l’ossigeno, che verrà chiamato così da Lavoisier qualche anno dopo la sua scoperta. Priestley scoprì anche che gli animali e gli uomini “consumano aria” e che le piante riescono a rinnovarla e purificarla. Priestley riuscì a dimostrare ciò attraverso un singolare esperimento. Raccolse aria espirata (quindi ricca di CO2) e la chiuse ermeticamente in due contenitori, uno vuoto, l’altro contenente una pianta. Dopo sette giorni, introdusse un topolino in ogni contenitore e osservò che il topolino posto all’interno del contenitore senza pianta moriva prima di quello posto nel contenitore con la pianta. Il processo responsabile di questi fenomeni, la fotosintesi, fu scoperto solo cento anni più tardi, nel 1862. Vivendo vicino a una fabbrica di birra, inoltre, si interessò ai processi di fermentazione. Studiò le proprietà del gas rilasciato durante questi processi (oggi noto come anidride carbonica) e, aggiungendolo all’acqua, inventò l’acqua frizzante.
Il chimico francese Antoine Lavoisier (1743-1794), padre della chimica moderna, svolse importanti ricerche per comprendere la natura della combustione. Attraverso i suoi esperimenti dimostrò che la combustione è un processo che utilizza ossigeno. La spiegazione data da Lavoisier alla combustione rimpiazzò la teoria del flogisto, secondo cui i materiali che bruciano rilasciavano una sostanza chiamata flogisto. Continuando gli studi iniziati da Priestley, dimostrò anche il ruolo dell’ossigeno nella respirazione di animali e piante, così come nell’arrugginimento dei metalli. Scoprì, inoltre, che l’idrogeno si combina con l’ossigeno per produrre una rugiada che sembrava acqua. L’idrogeno era stato scoperto nel 1766 da Henry Cavendish, che lo ottenne dalla reazione fra metalli e acido solforico e lo descrisse come “aria infiammabile proveniente dai metalli”. Antoine Lavoisier lo nominò “hydrogenium”, ovvero “sostanza da cui si ottiene l’acqua”, proprio in seguito alla sua scoperta. Nel 1781 scoprì la reazione di formazione dell’anidride carbonica a partire da carbonio e ossigeno.
Daniel Rutherford è considerato lo scopritore dell’azoto, anche se questo elemento era già stato individuato da Pristley, Scheele e Cavendish. Black, scopritore dell’aria fissa (anidride carbonica), aveva osservato che, bruciando una sostanza “carboniosa” in un recipiente chiuso e assorbendo con potassa caustica (KOH) l’anidride carbonica che si sviluppava, permaneva un residuo gassoso (l’azoto). Rutherford, che studiò questo gas nel 1772, notò che non alimentava la combustione e la respirazione, ma non lo riconobbe come un distinto elemento chimico e lo considerò come aria saturata con flogisto. Fu Lavoisier a riconoscere che l’aria è una miscela di un gas attivo, l’ossigeno, che alimenta la combustione e la respirazione, e un gas inattivo, l’azoto. Il termine “azoto” deriva dal francese azotè (voce formulata dallo stesso Lavoiser) che significa “privo di vita”, poiché questo gas non è necessario alla respirazione.
James Glaisher e Henry Tracey Coxwell nel XIX secolo rischiarono la vita avventurandosi in cielo con un pallone aerostatico per esplorare l’atmosfera. Scoprirono così che all’aumentare della quota la temperatura dell’aria diminuisce e fecero numerose misure sull’umidità dell’aria. Si pensa che nei loro voli superarono l’altezza di 9500 metri sopra il livello del mare.
Alla fine del XIX e all’inizio del XX secolo l’interesse si spostò verso la ricerca dei costituenti minori dell’atmosfera, presenti in piccole concentrazioni. Una scoperta particolarmente importante per la chimica atmosferica fu la scoperta dell’ozono da parte del chimico Christian Friedrich Schönbein nel 1840. Mentre svolgeva esperimenti riguardanti l’ossidazione lenta del fosforo bianco e l’elettrolisi dell’acqua, Schönbein  notò per primo il caratteristico odore dell’ozono che associò all’odore che è possibile percepire durante le scariche atmosferiche di fulmini nel corso di un temporale. Coniò così il termine “ozono”, dal greco ozein, odorare.
Nel XX secolo la scienza dell’atmosfera procedette dallo studio della composizione dell’aria alla considerazione di come le concentrazioni di gas presenti in tracce nell’atmosfera si erano modificate nel tempo ed i processi chimici che creano e distruggono i composti nell’aria. Due esempi particolarmente importanti di ciò furono la spiegazione di come l’ozonosfera si forma e si mantiene ad opera di Sydney Chapman e Gordon Dobson, e la spiegazione dello smog di Haagen-Smit.

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