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 9095%), 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!