Conoscere la meteorologia
L'atmosfera è la parte più densa dell'involucro gassoso che avvolge il nostro pianeta. Grazie al peso e alle proprietà di comprimibilità dei gas, tutta l'atmosfera si trova in uno stato di equilibrio idrostatico: questo determina una stratificazione orizzontale, a "strati" concentrici, delle superfici di uguale pressione (superfici isobariche) e di uguale
densità, ma anche di altre grandezze, come la temperatura, l'umidità o il grado di ionizzazione. Gli strati di maggior interesse per la meteorologia sono la troposfera e la tropopausa, che insieme si innalzano per circa 26 km: è qui che si producono tutti i fenomeni meteorologici.
I principali parametri atmosferici che è necessario conoscere per studiare gli eventi meteorologici sono la quantità di energia termica che giunge sulla Terra (le temperature del suolo e dell'aria), la pressione atmosferica e l'umidità che l'aria contiene.
Approfondimenti
L’irraggiamento solare
Dal Sole arriva sulla Terra una grande quantità di calore, che si trasmette attraverso gli strati dell'atmosfera. Solo una parte dell'irraggiamento solare giunge sulla superficie terrestre: il 34% dell'irraggiamento solare viene riflesso nello spazio dall'atmosfera, dalle nubi e dalla superficie della Terra. Del rimanente 66%, il 19% viene assorbito dal vapore acqueo, dalle nubi e dallo strato di ozono e soltanto il 47% in media viene assorbito dalla superficie terrestre.
La pressione atmosferica
In ogni punto della Terra, la pressione atmosferica è pari al peso della colonna d'aria che "pesa" sulla superficie terrestre. Questo è vero a qualsiasi quota, ma il 99% della massa dell'atmosfera è concentrata nei primi 32 km.
Le variazioni di pressione a livello del mare non superano di solito il 4% del valore medio normale (che è di 1013 millibar): valori più bassi (fino a 900 millibar) si possono registrare nell'occhio di cicloni tropicali.
Zone calde, zone fredde
La temperatura minima sulla superficie terrestre si registra all'alba, la massima tra le 15 e le 16. La media matematica tra le due dà la temperatura media diurna. Dalla media delle temperature diurne mensili si ricava la media mensile e dalla media delle medie mensili si ricava la temperatura media annua. La temperatura media annua della superficie terrestre è di circa 15°C, ma le variazioni locali sono molto grandi, con escursioni termiche giornaliere e stagionali e differenze notevoli da un punto all'altro della Terra.
Molte influenze
La temperatura dipende anche da molti altri fattori, come l'altitudine, la posizione delle terre emerse e dei mari circostanti, l'esposizione al sole, la copertura vegetale, i venti prevalenti, la natura del terreno, ecc. In particolare, poiché dipende in gran parte dall'irraggiamento terrestre, la temperatura diminuisce con l'altitudine, con un gradiente verticale medio di circa 0.6°C ogni 100 m di quota: per questo salendo in quota le temperature sono via via più basse.
Il gradiente termico verticale
La temperatura dell'aria diminuisce di circa 0.6°C ogni 100 m di quota, valore che è considerato il normale gradiente termico negli strati più bassi dell'atmosfera, ma vi possono essere delle variazioni locali. In particolare, quando masse d'aria si spostano verticalmente possono trovarsi in una situazione di disequilibrio con la temperatura dell'aria circostante, determinando zone anomale più fredde o più calde.
Isobare e isoterme
Per poter rappresentare le pressioni e le temperature dell'atmosfera al suolo e in quota nei vari punti della Terra, si realizzano apposite carte.
La carta delle isobare rappresenta la distribuzione delle pressioni. Dal greco isos, uguale, e baros, peso, di uguale pressione, le linee isobare sono linee che uniscono tra loro punti di uguale pressione atmosferica, in modo analogo alle linee isoipse (di ugual quota) che si usano per rappresentare i rilievi su una carta topografica.
L’umidità
L'umidità atmosferica è la quantità di vapore acqueo contenuta nell'aria. Rappresenta una percentuale piccolissima dell'acqua presente sulla Terra (circa lo 0.01%), ma è molto importante per il suo ruolo svolto nel ciclo dell'acqua. È attraverso l'umidità atmosferica che l'acqua si muove, passando dagli oceani e mari alla terraferma: quasi tutto il vapore acqueo presente in atmosfera si origina infatti per evaporazione delle acque oceaniche e marine, e il contributo di specchi d'acqua continentali e dell'evapotraspirazione di terreno e vegetazione è molto piccolo.
Approfondimenti
Le precipitazioni comprendono tutti i tipi di apporti di acqua, allo stato liquido o solido, che cadono o si formano sulla superficie terrestre. Si distinguono precipitazioni dirette, come la pioggia, la neve, la grandine, e le precipitazioni occulte, come la rugiada e la brina, che non provengono dalle nubi, ma si formano direttamente al contatto con la superficie terrestre. Le precipitazioni liquide, o pioggia, si verificano quando le gocce d'acqua presenti in una nube si ingrossano progressivamente fino divenire troppo pesanti per rimanere nella nube e cadono quindi al suolo. I meccanismi per cui le gocce di nube si ingrossano sono molteplici: per assorbimento di acqua in un'atmosfera sovrassatura, e, soprattutto, per coalescenza tra gocce che cadono e si urtano tra loro. Il limite tra gocce di nube e gocce di pioggia è intorno ai 100 micron, ma le gocce di pioggia sono in genere molto più grandi, fino a oltre 2000 micron.
Neve
I fiocchi di neve sono aggregati di cristalli che si sono formati nelle nuvole direttamente dalla condensazione del vapore, a temperatura inferiore a 0°C. Diversamente da quello che si potrebbe pensare, non bastano vapore acqueo e basse temperature per formare un cristallo di neve. Ciò che non può mancare è la polvere, senza la quale le molecole di vapore acqueo non riescono ad aggregarsi per formare i cristalli di neve.
Grandine
Associata a nubi temporalesche, la grandine è costituita da masse tondeggianti di ghiaccio. Ogni chicco è formato da centinaia di cristalli di ghiaccio, in strati alternativamente trasparenti e lattiginosi, a causa della presenza di bolle d'aria. I cristalli trasparenti si formano lentamente nelle regioni inferiori di un cumulonembo, caratterizzate da temperature più elevate, mentre i cristalli opachi sono tipici delle zone più alte, dove le temperature più basse causano la rapida formazione di cristalli che crescendo velocemente intrappolano bolle d'aria.
Nebbia
La nebbia è una nube poco densa e di modesto spessore che si forma a contatto con il suolo, in condizioni meteorologiche particolari. In genere le gocce d'acqua di nebbia sono più piccole e meno numerose di quelle di nube, per questo la nebbia appare meno densa e più trasparente di una nube. Le nebbie si generano quando vi è una differenza di temperatura tra il terreno e l'aria sovrastante. Le nebbie di radiazione si formano dopo il tramonto, quando la temperatura del suolo diminuisce, provocando il raffreddamento lento anche dell'aria sovrastante.
Rugiada e brina
Quando il suolo disperdendo calore per irraggiamento raggiunge la temperatura di rugiada, nell'aria con la quale è a diretto contatto si produce condensazione, che deposita gocce d'acqua direttamente sul suolo e su tutto ciò con cui l'aria è a contatto, formando la rugiada.
La rugiada fornisce un quantitativo d'acqua che in situazioni particolari può essere importante: anche in assenza di precipitazioni dirette, la vegetazione riceve comunque un apporto idrico sufficiente ai suoi processi vitali.
Il tempo
Il tempo in senso meteorologico indica l'insieme di fenomeni atmosferici che si verificano in un certo momento in un'area della Terra. Vi sono fenomeni a carattere strettamente locale, limitati a zone estremamente ristrette, e fenomeni che coinvolgono intere regioni. I fenomeni atmosferici sono caratterizzati da una estrema variabilità e piccole variazioni locali possono contribuire a far evolvere il tempo verso situazioni completamente diverse da quelle previste.
I fronti
Un fronte in senso meteorologico è il confine tra masse d'aria a densità, temperatura e umidità differenti. La banda frontale è l'area in cui due masse d'aria vengono a contatto diretto, la zona dove avvengono gli scambi di energia e dove si producono i fenomeni atmosferici più intensi. Un fronte si presenta in genere come una superficie più o meno regolare, a basso angolo, poco inclinata, e che disegna, sul piano orizzontale, una linea generalmente curva. I meteorologi riconoscono tre tipi di fronti: i fronti freddi, i fronti caldi e i fronti occlusi.
Temporali
Perturbazioni a carattere temporalesco si formano quando si verifica la collisione tra due masse di aria a differente temperatura o quando l'elevato riscaldamento del suolo, associato ad una forte umidità, provoca la formazione di masse d'aria calda e umida. Il meccanismo è il medesimo che porta alla formazione di fronti e di sistemi nuvolosi (ascesa, raffreddamento e condensazione), ma a causa delle forti differenze di temperatura il fenomeno è più intenso ed "energetico".
Cicloni e uragani
Attorno alle aree di bassa pressione la circolazione dell'aria genera un vortice depressionario detto ciclone. Le modalità con cui si instaura una circolazione ciclonica sono sempre le stesse: il centro di bassa pressione richiama aria dalle aree circostanti, con un movimento in senso antiorario nell'emisfero N e orario nell'emisfero S. Ma i cicloni non sono tutti uguali: perché alcuni sono eventi violenti e improvvisi, vere e proprie catastrofi, perché alcuni durano mesi, e altri invece sono relativamente "tranquilli" e non provocano danni?
I tornado
I tornado si formano evolvendo da un cumulonembo temporalesco, quando le condizioni atmosferiche sono particolarmente umide. Iniziano con l'estroflessione verso il basso di una parte della nube, a formare una nube a imbuto, che è il primo segnale della nascita di un tornado. La nube a imbuto si abbassa progressivamente verso il suolo: se raggiunge la superficie terrestre, ecco che si forma un tornado. Le dimensioni delle nubi a imbuto sono indicatrici della forza del tornado e variano da 15 m a un paio di km di diametro.
Trombe d’aria
Analoghe ai tornado, ma di dimensioni e energia decisamente più contenute sono le trombe d'aria. Quando evolvono da nubi temporalesche, si comportano come piccoli tornado e sono abbastanza distruttive. Trombe d'aria chiamate anche vortici di polvere, di dimensioni più piccole e di minor energia, si formano di solito in condizioni di aria molto calda e secca, nelle zone desertiche o di pianura e non sono associate a manifestazioni nuvolose o a precipitazioni.
Lo spettacolo di un temporale
Il principale fenomeno atmosferico associato ad un temporale è sicuramente la pioggia, che spesso si presenta con carattere di rovesci improvvisi e violenti. È stato calcolato che soltanto il 20% dell'umidità accumulata dalla nube temporalesca viene effettivamente restituita sotto forma di pioggia. Spesso le precipitazioni possono assumere carattere di grandine, che si forma quando le temperature all'interno della nube permettono la formazione di cristalli di ghiaccio.
I fulmini
I fulmini sono una delle manifestazioni più tipiche e caratteristiche dei temporali. Ci appaiono come scariche elettriche che partono dalla nube temporalesca e si abbattono al suolo, ma in realtà il fenomeno è molto più complesso e, viaggiando alla velocità della luce, avviene così rapidamente da non permetterci di comprenderlo immediatamente. Un fulmine è una scarica elettrica all'interno del sistema temporalesco.
I tuoni
Quando si genera un fulmine, la scarica elettrica produce una grande quantità di calore che ionizza l'aria circostante trasformandola in un plasma (gas composto solo da elettroni e nuclei) a temperatura elevatissima (10-15.000° C). L'aria circostante si espande violentemente, in pochi milionesimi di secondo, provocando la propagazione di un'onda di compressione attraverso l'aria, che noi avvertiamo come onda acustica che produce il tuono.
L’arcobaleno
L'arcobaleno è un fenomeno che ha sempre affascinato l'uomo, da una parte perché segna, in genere, la prossima fine di un temporale, dall'altra per lo spettacolo offerto dai suoi colori. A chi non è capitato di rimanere incantato ad osservare lo spettacolo di un arcobaleno, magari sullo sfondo di un cielo denso di nubi scure e minacciose? Sugli arcobaleni sono fioriti miti e leggende: per i greci era la manifestazione visibile della messaggera degli dei, secondo le leggende nordiche alla fine dell'arcobaleno è sepolta una pentola magica contenente un favoloso tesoro.
La capannina meteorologica è una piccola costruzione dove trovano posto gli strumenti utilizzati per misurare i principali parametri atmosferici. La capannina è realizzata in legno ed è dipinta di bianco, per riflettere il più possibile i raggi solari, con pareti a persiana per garantire la circolazione dell'aria. Deve essere posta a 1 m dal suolo, per non subire il riscaldamento diretto del terreno. All'interno della capannina si trovano diversi strumenti: un termometro per la misura della temperatura, di solito del tipo a massima e minima, un barografo, e, all'esterno, un anemometro, un anemoscopio e un pluviografo costituiscono la strumentazione minima e standard.
La capannina meteorologica deve funzionare anche in assenza di un operatore sul posto, per cui tutti gli strumenti devono poter registrare i dati. Una volta la registrazione avveniva su supporto cartaceo, con gli operatori che sostituivano periodicamente i rulli di carta e prelevavano i dati, ma attualmente la maggior parte degli strumenti è elettronica, in grado di registrare in continuo i dati, di trasferirli su computer e di trasmetterli in tempo reale alle stazioni di registrazione, in genere con segnali radio.
Approfondimenti
Un barometro
Lo strumento più preciso e accurato per la misura della pressione è il barometro a mercurio, sul modello del barometro di E. Torricelli inventato nel 1643. Meno preciso, ma più piccolo e maneggevole, è il barometro aneroide. Questo è costituito da un contenitore metallico all'interno del quale è stato fatto un vuoto spinto e chiuso da un coperchio di metallo sottile e flessibile, che si alza e si abbassa al variare della pressione esterna.
Un termometro
Il termometro più usato è quello a mercurio, dove la temperatura è misurata sulla base della dilatazione del mercurio liquido contenuto nel bulbo, ma si utilizzano anche termometri ad alcool etilico. Più complesso è il termografo, che permette di registrare le temperature nel corso del tempo: è in genere costituito da un termometro a lamina bimetallica, dove due metalli diversi saldati tra loro si dilatano in misura diversa per una medesima variazione di temperatura.
Un igrometro
L'umidità relativa viene misurata con strumenti chiamati igrometri. Gli strumenti più diffusi sono gli igrometri a capello, che sfruttano la singolare proprietà dei capelli umani di allungarsi proporzionalmente all'umidità relativa (come ben sanno coloro che hanno una capigliatura ricciuta: quando l'aria è umida, i capelli sono più arricciati e aggrovigliati). In meteorologia si utilizzano strumenti più precisi chiamati psicrometri (dal greco psycros, freddo). Sono costituiti da una coppia di termometri affiancati, uno dei quali ha il bulbo avvolto in una tela imbevuta di acqua.
Un pluviometro
La quantità di acqua caduta al suolo viene espressa in millimetri, cioè l'altezza che l'acqua avrebbe raggiunto se fosse caduta su una superficie orizzontale e impermeabile. Un millimetro di pioggia caduta su una superficie di 1 m2 corrisponde a un litro di acqua raccolta. La quantità di pioggia caduta si misura con i pluviografi. Questi sono costituiti da un contenitore cilindrico, collocato in un'apposita capannina, sulla cui sommità si trova un imbuto di raccolta con caratteristiche standard.
Un anemometro
La velocità del vento viene espressa in km/h o in nodi (1 nodo= 1.852 km/h), oppure, più raramente in meteorologia, attraverso la scala di Beaufort (proposta nel 1805 dall'ammiraglio inglese Francis Beaufort per classificare i venti in base all'intensità).
Gli anemoscopi misurano la direzione del vento e sono costituiti da semplici banderuole metalliche che ruotano su un perno e si allineano alla direzione del vento (come le banderuole e i "galletti" posti sui tetti delle case o le maniche a vento degli aeroporti, che offrono anche una stima della velocità in base alla espansione della manica).
Un eliografo
L'insolazione è il periodo in cui il Sole splende al di sopra dell'orizzonte in un dato punto della Terra. Si misura con l'eliofanografo, costituito da una lente sferica che concentra i raggi solari su una striscia di speciale carta termica, che si annerisce quando colpita dai raggi solari concentrati dalla lente. L'energia ricevuta da una data superficie, invece, si dice radiazione globale e si misura con uno strumento detto piranometro o solarimetro, ed è espressa in calorie per unità di tempo per unità di superficie.
Poter prevedere il tempo che farà è sempre stato una necessità dell'uomo, per poter gestire e programmare tutte le sue attività, dal divertimento allo sport, alle attività agricole e a quelle industriali all'aria aperta.
Ora le nostre conoscenze sul tempo e sui fenomeni meteorologici sono molto avanzate, anche se ancora lontane da una totale comprensione, così che le previsioni del tempo sono sempre più affidabili. In Italia l'organo ufficiale preposto alla formulazione delle previsioni meteorologiche è il Servizio Meteorologico dell'Aeronautica Militare, in collegamento con l'Organizzazione Meteorologica Europea e Mondiale.
Il Servizio Meteorologico pubblica quotidianamente il Bollettino Meteorologico ufficiale, avvalendosi dei dati raccolti da stazioni a terra (ubicate in ogni aeroporto e integrate da altre sparse sul territorio nazionale). Alcune di queste sono dotate di strumentazione per rilevamenti radar e per il lancio di palloni sonda. I dati sono poi integrati dalle rilevazioni effettuate dalla rete mondiale dei satelliti meteorologici, in particolare dai satelliti europei METEOSAT. Per le previsioni a breve scadenza, con indicazioni valide fino a 12-24 ore, si impiegano soprattutto carte sinottiche del tempo in superficie e in quota. Per questo tipo di previsione sono ancora fondamentali l'esperienza e la capacità personale del meteorologo: sono quindi previsioni molto soggettive, la cui affidabilità dipende molto dall'abilità del meteorologo.
Per le previsioni a media scadenza, valide fino a un massimo di 3-5 giorni, si utilizzano prevalentemente metodi matematico-numerici. In questo caso, la previsione si fonda su un modello matematico dell'atmosfera, che rappresenta lo stato del tempo con una serie di equazioni dove le incognite sono temperatura, pressione, densità dell'aria e velocità dei venti. Questi metodi richiedono l'uso di calcolatori molto potenti e veloci, perché la simulazione richiede un enorme quantità di calcoli: l'evoluzione di computer di grande potenza per uso civile è avvenuta proprio grazie alla ricerca per soddisfare le necessità di calcolo in campo meteorologico.
Per le previsioni a lunga scadenza, valide da una settimana a un mese, si utilizzano invece analisi statistiche, utilizzando serie temporali di dati meteorologici: in pratica, si studiano le condizioni medie del tempo nel passato per prevedere il possibile comportamento del tempo in situazioni meteorologiche analoghe: è un tipo di previsione più adatta allo studio del clima, che per risolvere i problemi di previsione del tempo.
Approfondimenti
Rete globale
Le osservazioni meteorologiche al suolo vengono effettuate da una rete di più di 10.000 stazioni distribuite su tutta la superficie terrestre, a cui si aggiungono numerose stazioni mobili su navi e aerei appositamente attrezzati. Le osservazioni principali riguardano pressione, temperatura, umidità dell'aria, direzione e velocità del vento, precipitazioni, nuvolosità. Le stazioni più importanti misurano anche l'insolazione, la radiazione solare, l'evaporazione e la temperatura del suolo. I dati raccolti permettono la costruzione delle carte del tempo al suolo.
Che cosa è una carta meteorologica
Le carte meteorologiche costituiscono la base fondamentale per l'analisi e la previsione del tempo. Si basano sui dati raccolti dalle stazioni meteorologiche al suolo e dai dati rilevati in quota da sonde e satelliti. La maggior parte degli strumenti moderni permette una registrazione continua dei dati atmosferici, ma le carte del tempo vengono realizzate utilizzando i dati rilevati a orari prestabiliti e convenzionali, in modo da poter essere tra loro confrontabili in diverse parti del mondo.
Interazione con gli oceani
L'atmosfera, con i suoi movimenti e i fenomeni che vi si producono, non è un sistema isolato e indipendente, ma risente delle interazioni e degli scambi di energia con l'idrosfera, la litosfera e la biosfera. In particolare, non è possibile comprendere i meccanismi che governano il comportamento dell'atmosfera senza studiarne le relazioni con gli oceani. Gli oceani, con i loro enormi volumi di acqua, costituiscono un immenso "pozzo di calore" che immagazzina grandissime quantità di energia termica assorbita dall'irraggiamento solare
La città e il clima locale
Chiunque viva in periferia e lavori in città avrà sicuramente sperimentato le differenze del clima in un grande agglomerato urbano rispetto al clima in zone lontano dalle città: le città sono in genere sensibilmente più calde delle zone circostanti, oltre che, naturalmente, più inquinate, e nei mesi invernali vi si instaurano più spesso condizioni di inversione termica. In poche parole, le grandi città sembrano modificare le condizioni climatiche locali. A cosa è dovuto questo fenomeno?
Un modello climatico globale
Da sempre l’uomo ha cercato di capire il clima e di fare previsioni sul tempo: per le attività agricole, per i viaggi, i trasporti, le previsioni del tempo sono indispensabili alla progettazione delle attività umane, ma anche alla realizzazione di strutture abitative, strade, ponti, che devono resistere agli eventi atmosferici più avversi. È difficile per noi comprendere un sistema complesso come quello del clima alla scala planetaria: per capire infatti il funzionamento del clima e costruirne un modello valido e realistico è necessario comprendere che il clima è un insieme complesso.
