L'ATMOSFERA E LA METEOROLOGIA - LA METEOROLOGIA

L’ATMOSFERA E LA METEOROLOGIA

                                      LA METEOROLOGIA

La meteorologia è la scienza che studia le condizioni del tempo atmosferico su un certo periodo di
tempo e per una certa area geografica, attraverso l’analisi dei fattori che determinano la dinamica
dell’atmosfera e dell’idrosfera.
Atmosfera: è lo strato, formato da numerosi gas, che circonda il nostro pianeta.
Idrosfera: è lo strato d’acqua allo stato liquido o solido, formato da mari, fiumi, laghi o ghiacciai,
che copre gran parte della superficie terrestre.
Dinamica dell’atmosfera e dell’idrosfera: è lo studio dei movimenti delle masse di aria e acqua,
dovuti al riscaldamento dei raggi solari.
Fattori: sono gli elementi naturali che influenzano le condizioni meteorologiche. I principali fattori
globali sono:
• i moti astronomici della Terra, che determinano:
   - le variazioni dell’insolazione con la latitudine e le stagioni;
   - i movimenti delle masse d’aria alle quote più alte, a causa della rotazione della Terra intorno al
      proprio asse
• la conformazione della Terra, da cui dipendono:
   - la diversa distribuzione dei raggi solari sulle varie zone;
   - la diversa capacità termica, per cui le varie zone si scaldano e si raffreddano a velocità diverse;
   - la diversa umidità, per esempio vicino al mare o in una zona desertica;
• la presenza di inquinanti nell’atmosfera, che possono provocare variazioni nell’insolazione e nella
   penetrazione delle radiazioni solari.

                                          L’ATMOSFERA

L’aria è una miscela di gas che a livello del mare è composta da azoto (78%), ossigeno (20%) e
anidride carbonica (0,04%) e da altri gas in percentuali minime. Vicino alla superficie si trovano i
gas più pesanti (azoto, ossigeno) e la densità è maggiore. Man mano che si sale ci sono più gas
leggeri (come idrogeno ed elio). Per questo la pressione dell’aria diminuisce con la quota.
L’atmosfera assorbe gran parte delle radiazioni che ci arrivano dal Sole, proteggendo così la vita sul
nostro pianeta.
La parte che condiziona maggiormente la nostra vita è la “sfera” più bassa: la troposfera. I fenomeni
che avvengono nella troposfera (venti e brezze, cicloni e trombe d’aria, pioggia, neve, brina e
rugiada, fulmini ecc.) rappresentano la parte più studiata dalla meteorologia, perché è quella che più
interessa l’ambiente in cui viviamo.

LA GENERAZIONE DEI FENOMENI METEOROLOGICI

La radiazione del Sole arriva sulla Terra in modo non omogeneo: ai poli arriva
meno energia che ai tropici, a causa della diversa angolazione dei raggi solari,
dovuta all’inclinazione dell’asse terrestre.
L’energia in eccesso dai tropici viene trasportata alle alte latitudini, attraverso
il moto dell’atmosfera e degli oceani, con le loro grandi correnti, ed è da
questo che derivano le condizioni del “tempo atmosferico”, oltre che da
alcune cause locali, che sono soprattutto:
    - distanza da mari e monti;
    - presenza di boschi o deserti.
A causa del diverso irraggiamento solare, la temperatura al suolo, nei mari e negli oceani crea delle
correnti (in aria o in acqua) che danno origine ai venti, alle correnti marine e alla diversa pressione
atmosferica, governando così l’andamento climatico globale.

                    LE GRANDEZZE FISICHE DELLA METEOROLOGIA

Le principali grandezze fisiche che danno informazioni sulle condizioni meteo sono:
- La temperatura
- La pressione atmosferica
- L’umidità
Inoltre si misurano la velocità del vento e la quantità di precipitazioni.
TEMPERATURA
La temperatura è la grandezza che esprime lo stato termico di un corpo e
che determina gli scambi di calore con i corpi a temperatura inferiore. A
livello microscopico indica l’”agitazione termica” delle molecole.
Lo strumento di misura della temperatura è il termometro. Il più diffuso è
quello a dilatazione termica, mentre nelle stazioni meteo automatiche si usa
quello elettronico.
La scala di temperatura più in uso è la Celsius, o centigrada, in cui è scelto
come 0°C il punto di fusione del ghiaccio e come 100°C l’ebollizione
dell’acqua. Nel Sistema Internazionale la temperatura si misura in Kelvin
(K). La scala Kelvin si chiama anche assoluta e 0 K è lo zero assoluto, cioè
la vera temperatura minima, a cui scompare qualsiasi agitazione termica. 0
K corrispondono a -273°C.
In meteorologia sono importanti anche le misure di temperatura massima,
minima e media, oltre all’escursione termica, cioè alla variazione in un dato
intervallo di tempo, che può essere un giorno o una stagione.
PRESSIONE
Ricordiamo che la pressione è definita come rapporto fra la forza perpendicolare alla superficie e
l’area della superficie. Nel SI l’unità di misura è il Pascal (Pa), cioè N/m2. Poiché l’atmosfera ha un
peso, essa esercita sulla Terra una pressione uniforme, detta pressione atmosferica. Il suo valore al
livello del mare è stato misurato per la prima volta da Torricelli (1644) nel suo famoso esperimento,
e corrisponde a
                                    101300 Pa = 1 atm = 760 torr
In meteorologia si utilizza spesso il bar e soprattutto il suo sottomultiplo millibar
                       1 bar = 105 Pa                 1 mbar = 100 Pa = 1 hPa
Lo strumento di misura della pressione è il barometro. Il più preciso è il barometro a mercurio o di
Torricelli, ma essendo ingombrante è spesso sostituito dai barometri metallici. Nelle moderne
stazioni meteo si utilizzano barometri elettronici.

La pressione atmosferica può variare per varie cause. Essa dipende:
   -   dalla quota: più in alto si va, meno densa è l’atmosfera e meno alta è la colonna d’aria
       soprastante e quindi minore è la pressione;
   -   dalla temperatura: un gas riscaldato si dilata e diventa meno denso, ma se qualcosa glielo
       impedisce aumenta la sua pressione (leggi di Gay-Lussac);
   -   dall’umidità: l’aria secca è composta sempre dagli stessi gas, ma la presenza di vapore
       acqueo varia moltissimo; dato che questo gas è molto più leggero degli altri, se ce n’è molto
       la pressione atmosferica diminuisce.
UMIDITA’
L’umidità è la grandezza che misura la quantità di vapore acqueo presente nell’aria. Per indicare
questa misura ci sono due modi: l’umidità assoluta e l’umidità relativa. In meteorologia si
preferisce utilizzare la seconda.
L’umidità relativa è il rapporto fra la quantità di vapore acqueo in 1 m3 d’aria e la quantità che
sarebbe presente nello stesso m3 se l’aria fosse satura di vapore. Essa si esprime in percentuale.
La saturazione è il massimo livello di vapore che un certo volume d’aria può contenere, e dipende
da temperatura e pressione. Più sono alte e più vapore c’è. Se sono basse, il vapore in più si
condensa in acqua.
L’umidità relativa è importante perché può indicare la possibilità di precipitazioni.
Gli strumenti di misura dell’umidità sono:
    - l’igrometro, che sfrutta alcune caratteristiche della materia; per esempio l’igrometro a
        capello sfrutta il fatto che i capelli assorbendo vapore acqueo cambiano la loro lunghezza
    - lo psicrometro, che è formato da due termometri: uno normale che misura la temperatura
        dell’aria (temperatura di bulbo asciutto) e uno avvolto in una garza di cotone, che misura la
        temperatura di bulbo umido. Tanto più bassa è l’umidità, tanto maggiore è l’evaporazione
        dell’acqua dalla garza e quindi l’abbassamento di temperatura. La differenza tra le due
        temperature fornisce attraverso una formula la misura dell’umidità.
Nelle moderne stazioni meteo si utilizzano igrometri elettronici.

                                 I FENOMENI ATMOSFERICI
VENTI
Il vento è un movimento orizzontale di una massa d’aria dovuto a differenze di pressione. Più alte
sono le differenze, più veloce è il vento, sempre dalla zona di alta a quella di bassa pressione.
Del vento si misurano la direzione e la velocità. Banderuole e maniche a vento indicano la
direzione, mentre lo strumento di misura della velocità del vento si chiama anemometro. Il più
comune è fatto da 3 o 4 semisfere cave (coppe) collegate a un asse che ruota su se stesso in
relazione all’intensità del vento, connesso a un tachimetro. La velocità del vento si misura in metri
al secondo (m/s) o in chilometri orari (km/h) o spesso anche in nodi (1,85 km/h).

PRECIPITAZIONI
Le precipitazioni sono dovute al raffreddamento di una massa d’aria calda che provoca la
condensazione del vapore acqueo e quindi la sua trasformazione in pioggia, neve o grandine.
Quando la temperatura si abbassa, le molecole di vapore si aggregano tra loro dando origine alle
nubi, cioè a un insieme di gocce d’acqua e cristalli di ghiaccio. Le gocce si formano se nell’aria c’è
del pulviscolo che funziona da nucleo di condensazione.
Le nubi sono generate da moti di origine termica, che sono sempre presenti nell’atmosfera, per cui
esse si formano e si distruggono continuamente. La loro forma è molto variabile in relazione a dove
e come si sono formate. Le nubi sono classificate per aspetto e quota d’origine. Per avere
informazioni meteorologiche occorre studiare non la singola nuvola ma i sistemi nuvolosi in una
certa area.

MASSE D’ARIA E FRONTI
Alle nostre latitudini si alternano aree di alta pressione (bel tempo) e aree di bassa pressione
(maltempo), che generalmente si spostano da ovest verso est.
All’interno di un’area di alta pressione (anticiclone) ci sono
correnti discendenti che comprimono l’aria, riscaldandola e
impedendo così la condensazione del vapore e quindi la formazione
delle nubi. Questo porta bel tempo. Al suolo i venti soffiano verso
l’esterno e in senso orario.
La formazione di un’area di bassa pressione (ciclone) dipende
dall’incontro di masse d’aria con diversa temperatura e umidità.
Nelle aree cicloniche l’aria sale verso l’alto e l’umidità si condensa
in nubi in quota, dove la temperatura è più bassa. Nelle aree di bassa
pressione i venti al suolo soffiano verso l’interno e in senso antiorario.

                         GLI STRUMENTI DELLA METEOROLOGIA

CENNI STORICI
E’ in Toscana nel Rinascimento che la meteorologia acquista le caratteristiche di una scienza.
Leonardo da Vinci costruì i primi rudimentali anemometri e igrometri, ma fu il “metodo
sperimentale” di Galileo Galilei che portò allo studio scientifico dei fenomeni atmosferici e alla
costruzione di numerosi strumenti di misura, quali il termometro, il pluviometro, il barometro. È in
questo periodo che, grazie al Granduca Ferdinando de’ Medici, si sentì l’esigenza di istituire degli
osservatori per raccogliere con regolarità i dati, secondo procedure precise e costanti.
Il granduca fece produrre una serie di strumenti identici, prima termometri, poi anche igrometri,
barometri e anemometri, da maestri fiorentini e li spedì a istituzioni di diverse località italiane ed
europee. Fu la nascita, nel 1654, della prima rete di stazioni meteorologiche, che operava più
rilevamenti al giorno, alle stesse ore, con gli stessi metodi e strumenti. Queste attività vennero
promosse e sviluppate nell’Accademia del Cimento, il cui motto, “provando e riprovando”,
chiarisce di per sé i propositi della società, che tra i primi esperimenti annoverò quelli sulla
pressione dell’aria, sulle proprietà del calore, sul congelamento dei liquidi.
(Fare riferimento alla visita guidata al Museo Galileo)

GLI STRUMENTI ATTUALI
Oggi le reti terrestri sono state affiancate le osservazioni in quota, che utilizzano palloni sonda,
aeroplani e satelliti meteorologici.
I satelliti orbitano intorno alla Terra, permettendo una visione completa di parti vastissime del cielo.
In particolare i satelliti riescono a tenere sotto controllo l’atmosfera al di sopra di oceani o deserti,
in cui sarebbe molto difficile organizzare una rete di osservatori. Sono di due tipi:
- satelliti a orbita polare, che si muovono sulle regioni polari a un’altezza di circa 800 km, facendo
  un giro in meno di due ore e rilevando i dati su una zona di circa 6000 km di diametro.
- satelliti geostazionari, che, ruotando insieme alla Terra, tengono sotto osservazione sempre la
  stessa area. Di gran lunga i più utilizzati, compiono un’orbita circolare di 36.000 km e tengono
  sotto osservazione una zona di circa 15.000 km di diametro; il che significa che ne bastano tre per
  avere sotto controllo tutta la superficie terrestre.
L’impiego dei radar ha consentito poi di studiare le precipitazioni in atto all’interno delle nubi,
mentre i computer hanno reso possibile la gestione e l’elaborazione dei dati sempre più numerosi
che arrivano ai diversi centri di rilevamento.

LE CARTE METEOROLOGICHE
Per organizzare i dati ricevuti dalle varie regioni e renderli comprensibili e utilizzabili si riportano
su mappe geografiche con simboli convenzionali e si creano le “carte del tempo”.
Ci sono due tipi di carte:

- carte per l’analisi, che possono essere di superficie e di quota
    - carte di previsione.
Le carte per l’analisi danno un quadro della situazione meteorologica delle varie regioni. Quelle di
superficie ogni tre ore riportano i dati di stazioni a terra e navi, circa 10.000 in tutto il mondo,
distanti 100-200 km l’una dall’altra. Le carte di quota, dette anche carte a livello costante, mostrano
la situazione rilevata a determinate altezze.

                                         LE PREVISIONI

COME SI FA UNA PREVISIONE
La nascita del bollettino meteorologico che vediamo in TV, sui siti internet o sui giornali, segue le
seguenti fasi:
   1) Raccolta dei dati
   2) Elaborazione attraverso super computer
   3) Trasformazione in un bollettino e comunicazione al pubblico
1) Per fare previsioni sull’evoluzione del tempo atmosferico occorre innanzitutto conoscere bene le
   condizioni di partenza. Bisogna quindi raccogliere le informazioni sullo stato attuale
   dell’atmosfera a tutte le quote (ottenute con osservazioni da satellite, palloni sonda, stazioni
   meteorologiche terrestri e marine, ecc.).
2) Tutti questi dati vengono elaborati da potenti computer, attraverso i “modelli meteorologici”
   (insiemi di complesse formule matematiche e di leggi della fisica), che permettono di prevedere
   la più probabile evoluzione dell’atmosfera a partire da un momento determinato.
3) Per tradurre i dati dei computer in qualcosa di più comprensibile intervengono i meteorologi,
   che li trasformano in simboli convenzionali su cartine geografiche della zona. Questa
   operazione può essere fatta in vari modi, più o meno tecnici, e quindi più o meno comprensibili
   a tutti, in relazione alla destinazione (Fare riferimento alla visita al Consorzio LaMMA).

Sulla base dell’intervallo di tempo, le previsioni meteorologiche si possono suddividere in:
    - a brevissimo termine (fino a poche ore)
    - a breve termine (fino a 48 ore)
    - a medio termine (fino a 7 giorni)
    - a lungo termine (fino a qualche mese).
Le previsioni a brevissimo termine vengono elaborate anche sulla base dell’osservazione di alcuni
strumenti che permettono di seguire in diretta lo stato del tempo.
Per le previsioni a lungo termine viene spesso fatto ricorso anche a metodi statistici, che si basano
sullo studio degli eventi del passato per prevedere quelli futuri.
Le previsioni a brevissimo e a breve termine raggiungono livelli di attendibilità elevati (fino al 90-
95%), mentre si hanno livelli decisamente inferiori per le previsioni a lungo termine.

PERCHE’ E’ COSI’ DIFFICILE FARE LE PREVISIONI DEL TEMPO
L’incertezza è parte integrante delle previsioni del tempo; vediamo quali sono le principali cause.
Per fare una “fotografia” esatta della situazione iniziale dovremmo raccogliere informazioni per
ogni molecola dell’atmosfera di tutto il pianeta: si tratta di una cifra esorbitante di informazioni!
Ci accontentiamo quindi di fare una media su porzioni di atmosfera, ma così fingiamo che tutte le
molecole si comportino allo stesso modo. Le porzioni più piccole di modelli ad area limitata sono di
qualche chilometro. I modelli che descrivono tutto il pianeta lavorano su porzioni di circa 50 km per
lato e un’altezza di circa 200 m. Per riuscire a descrivere la situazione iniziale dobbiamo rinunciare
a essere precisi, perché anche se fossimo in grado di misurare i dati per ogni molecola non
esisterebbe un computer capace di contenerli tutti.
I modelli meteorologici sono insiemi di equazioni, impossibili da risolvere esattamente, cioè come
si fa con le equazioni a scuola. E’ possibile avere solo soluzioni approssimate, cioè con ulteriori
inevitabili errori. Il problema è che per questo tipo di equazioni una piccola incertezza sulla
situazione meteorologica iniziale rappresenta un’enorme incertezza sulla situazione meteorologica
futura. Si dice che l’incertezza si amplifica in modo esponenziale.
Il modello funziona così: per ogni “pacchetto di aria”, a partire dai dati iniziali, calcola tutti i nuovi
valori medi delle grandezze meteorologiche a un tempo successivo, così da predire lo stato
dell’atmosfera per un breve intervallo nel futuro. Più corto è l’intervallo, più la previsione sarà
precisa. Il nuovo stato dell’atmosfera diventa il nuovo dato di partenza e si può ripetere il calcolo
per un successivo intervallo di tempo. Questa procedura per “passi temporali” viene ripetuta
continuamente finché la soluzione non raggiunge il momento desiderato della previsione.
Ricordiamoci che gli errori iniziali piccoli ad ogni passo temporale diventano più grandi!
Un’altra fonte di incertezza viene dai limiti della copertura spaziale delle reti di osservazione,
specialmente sulle grandi superfici d’acqua come l’Oceano Pacifico e nell’emisfero meridionale.
Per questo si utilizzano i dati di previsioni precedenti, sicuramente contenenti già incertezze.
Inoltre le stazioni spesso si trovano in punti particolari, ad esempio in una posizione più bassa delle
montagne circostanti o su un’isola in mezzo al mare.
Le caratteristiche della superficie terrestre introducono un’altra difficoltà, perché non è possibile
tenere conto fino in fondo dei dislivelli, ma solo della loro media per ogni punto della griglia.
Un’ultima causa d’incertezza può venire dallo stato non perfetto degli strumenti o semplicemente
dai loro limiti di sensibilità e precisione.

Il modo per avere previsioni più precise sarebbe ridurre i passi della griglia. Ma il computer ci
metterebbe molto di più a fare tutti i calcoli. Se si esagera si arriva alla situazione assurda per cui il
tempo necessario per ottenere la previsione è talmente lungo che l’orario per cui si deve fare la
previsione arriva prima che la previsione sia pronta!