NOCCHIERO

Nocchiero
Appunti di meteorologia a cura del Prof. Natalino Usai
Temperatura e umidità
Definizione
La temperatura è la proprietà fisica intensiva, definibile per mezzo di una grandezza
fisica scalare (ovvero non dotata di direzione e verso), che indica lo stato termico di
un sistema.
La differenza di temperatura tra due sistemi, che sono in contatto termico, determina
un flusso di calore in direzione del sistema meno caldo, che continua finché non si
abbia raggiunto l'equilibrio termico (dopo un tempo sufficientemente lungo), in
corrispondenza del quale i due sistemi hanno la stessa temperatura.
La temperatura, quindi, è la proprietà fisica che registra il trasferimento di energia
termica da un sistema ad un altro.
Quando due sistemi si trovano in equilibrio termico non avviene nessun trasferimento
di energia e si dice che sono alla stessa temperatura.
Quando esiste una differenza di temperatura, il calore tende a muoversi dal sistema che
viene detto a temperatura più alta verso il sistema che diremo a temperatura più bassa,
fino al raggiungimento dell'equilibrio termico.
Il trasferimento di calore può avvenire per conduzione, convezione o irraggiamento.
Le proprietà formali della temperatura vengono studiate dalla termodinamica.
La temperatura svolge un ruolo importante in quasi tutti i campi della scienza, in
particolare in fisica, chimica, biologia e meteorologia.
La temperatura non è una misura della quantità di energia termica o calore di un
sistema, però è ad essa correlata.
Pur con notevoli eccezioni, se ad un sistema viene fornito calore la sua temperatura
aumenta, mentre se gli viene sottratto calore la sua temperatura diminuisce; in altre
parole un aumento di temperatura del sistema corrisponde a un assorbimento di calore
da parte del sistema, mentre un abbassamento di temperatura del sistema corrisponde a
una cessione di calore da parte del sistema.
Su scala microscopica, nei casi più semplici, la temperatura di un sistema è legata in
modo diretto al movimento casuale dei suoi atomi e delle sue molecole, cioè un
incremento di temperatura corrisponde a un incremento del movimento degli atomi. Per
questo, la temperatura viene anche definita come l'indice dello stato di agitazione
molecolare del sistema (inoltre l'entropia viene definita come lo stato di disordine
molecolare).
Ci sono casi in cui è possibile fornire o sottrarre calore senza variazione della
temperatura, poiché il calore fornito o sottratto può essere causa della variazione di
qualche altra proprietà termodinamica del sistema (pressione, volume, etc.) oppure può
essere implicata in fenomeni di transizione di fase (come i passaggi di stato), descritti
termodinamicamente in termini di calore latente.
Analogamente è possibile aumentare o diminuire la temperatura di un sistema senza
fornire o sottrarre calore.
L’insolazione
L'insolazione è la misura della quantità di radiazione emessa dal Sole che raggiunge
una data superficie per unità di tempo. È espressa, come l'irradianza media, in watt
al metro quadro (W/m²) o kilowattora al metro quadro al giorno [kW·h/(m²·day].
Il prodotto dell'insolazione media di un luogo in un certo intervallo di tempo per
l'eliofania del luogo nello stesso intervallo di tempo fornisce invece la misura
dell'energia solare totale incidente per metro quadro sul luogo stesso.
La superficie data può essere quella di un pianeta, o di un corpo terrestre
all'interno dell'atmosfera del pianeta, o qualunque altro oggetto, incluse le sonde
spaziali, esposte direttamente alla radiazione solare che si trovi al di fuori
dell'atmosfera di un pianeta. Alcune delle radiazioni vengono assorbite dalla
superficie, causando il riscaldamento dell'oggetto, mentre la rimanente parte viene
riflessa; la quantità di quest'ultima dipende dalla riflettività e dall'albedo del
corpo.
Insolazione media dell’Europa
Insolazione della terra
L'insolazione di una superficie è tanto maggiore quanto maggiore è la superficie esposta
direttamente ai raggi solari. Man mano che incrementa l'angolo compreso tra la normale
alla superficie e la direzione dei raggi luminosi, l'insolazione si riduce in proporzione
al coseno dell'angolo; tale legge è nota, in ottica, come legge del coseno di Lambert.
Mediamente, nel corso dell'anno, i poli geografici ricevono un'insolazione minore
rispetto a quella dell'equatore, poiché la superficie terrestre, ai poli, risulta più
angolata ai raggi del sole rispetto all'equatore; per questo motivo, sulla Terra, le
regioni polari risultano più fredde rispetto a quelle equatoriali.
Il termine insolazione diretta definisce la quantità di radiazione solare che raggiunge
direttamente la superficie terrestre attraverso l'atmosfera senza interagire con i gas
atmosferici; l'insolazione diffusa è invece la quantità di radiazione solare che viene
diffusa o riflessa dall'atmosfera.
Nel corso dell'anno la quantità di radiazione media che raggiunge la sommità
dell'atmosfera terrestre è di circa 1395 watt al metro quadro; tale valore prende il nome
di costante solare.[1] L'energia radiante è distribuita lungo tutto lo spettro
elettromagnetico, sebbene il picco energetico corrisponda alle lunghezze d'onda del
visibile. Poiché la radiazione solare subisce un'attenuazione man mano che attraversa
gli strati dell'atmosfera terrestre, l'insolazione della superficie terrestre si riduce a
circa 1000 W/m², valore raggiunto in condizioni di tempo sereno quando il Sole si trova
allo zenit (ovvero, i suoi raggi sono perpendicolari alla superficie terrestre).
Mentre la costante solare varia in base alla distanza Terra-Sole e ai cicli solari, la
diminuzione del valore della costante tra la sommità dell'atmosfera e la superficie
terrestre dipende dall'angolo di elevazione solare (che varia in base al momento della
giornata e alla stagione), dalla copertura nuvolosa, dall'umidità e dall'inquinamento
atmosferico.
Tralasciando la copertura nuvolosa, l'insolazione media della Terra è di circa 250
watt/m² per metro quadro [900 kWh/m²], tenendo conto della minore intensità di radiazione
tra la mattina e la sera, e la sua quasi totale assenza durante la notte.
L'insolazione può essere espressa anche in Sol, un'unità di misura di flusso equivalente
a 1000 W / m². L'unità non va però confusa col sol, che esprime la durata di un giorno
solare in un altro pianeta
La velocità dei venti
sulla Terra dipende
strettamente
dall'insolazione.
Insolazione Italia
Scale termometriche
Scala termometrica Celsius (centigrada)
Prende il nome dallo scienziato svedese Anders Celsius (1701-1744) ed è diventata il
sistema di riferimento internazionale. In questa scala di tipo "centesimale" viene
assegnato convenzionalmente il valore 0 alla temperatura del ghiaccio fondente, e il
valore 100 alla temperatura dell'acqua bollente, entrambe alla pressione atmosferica sul
livello del mare. Si ha quindi una divisione in 100 parti uguali, ciascuna delle quali
rappresenta un grado centigrado o grado Celsius (simbolo °C).
Scala termometrica Fahrenheit
Prende il nome dallo scienziato Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). In questa scala,
largamente impiegata nei paesi anglosassoni, alla temperatura del ghiaccio viene
assegnato il valore 32, mentre a quella di ebollizione il valore 212, entrambe alla
pressione atmosferica sul livello del mare. Si ha quindi una divisione in 180 parti
uguali, ciascuna delle quali rappresenta un grado Fahrenheit (simbolo °F).
Scala termometrica Réaumur
Prende il nome dallo scienziato francese René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757).
Questa scala assegna il valore 0 alla temperatura del ghiaccio fondente, e 80 alla
temperatura di ebollizione dell'acqua, entrambe alla pressione atmosferica sul livello
del mare. Si ha quindi una divisione in 80 parti uguali, ciascuna delle quali
rappresenta un grado Réaumur (simbolo °R).
Scala termometrica assoluta
Questa scala viene determinata in base a considerazioni termodinamiche in gradi detti
Kelvin dallo scienziato britannico Lord Kelvin (1824-1907), autore di ricerche di
termodinamica straordinariamente innovative. 0 gradi Kelvin rappresentano il limite
inferiore delle temperature possibili corrispondente a -273,16 gradi della scala
centigrada.
Strumenti di misura
Uno degli strumenti di misura più comunemente utilizzati per la misurazione della
temperatura è il termometro a liquido. Esso consiste di un tubicino capillare di vetro
riempito con mercurio o altro liquido. L'incremento di temperatura fa espandere il
liquido e la temperatura viene determinata misurando il volume del fluido
all'equilibrio. Questi termometri possono essere calibrati in modo che sia possibile
leggere le temperature su una scala graduata, osservando il livello del fluido nel
termometro.
Un altro tipo di termometro è il termometro a gas.
Termometro a massima e minima
Ideato da James Six e costruito da Antonio Matteucci per il Museo di Fisica e Storia
Naturale. Montato su una colonna semicilindrica di legno con la sommità ed il fondo
sagomati, si compone essenzialmente di un recipiente centrale contenente alcool
collegato ad un tubo ad U. L'alcool funge da liquido termometrico, mentre il mercurio ha
la funzione di indicatore. Sui livelli del mercurio poggiano gli indicatori formati da
aghi di ferro inseriti in piccoli tubi di vetro blu muniti di un sottile filo metallico
elastico. In corrispondenza delle dilatazioni o contrazioni dell'alcool, il mercurio
sposta gli indicatori che misurano così la temperatura massima o minima raggiunte,
bloccati nel tubo termometrico dal filo metallico. Per riportarli a contatto con il
mercurio è sufficiente trascinarli nel capillare tramite una calamita. Le scale Réaumur
e Fahrenheit, segnate su strisce di carta, sono protette da lastrine di vetro.
L’umidità
L'umidità è la quantità d'acqua o di vapore acqueo contenuta nell'atmosfera (o, più in
generale, in una massa d'aria), in una sostanza o in un corpo.
Misurazione dei parametri di umidità
Esistono diversi parametri che rappresentano l'umidità di un sistema:
Umidità assoluta:
E’ la quantità di vapore acqueo espressa in grammi contenuta in un metro cubo d'aria
(g/m³) ad una certa temperatura e pressione. Non essendo espresso in percentuale, è un
valore difficile da interpretare e per questo si preferisce l'utilizzo dell'umidità
relativa. L'umidità assoluta può essere espressa in termini di massa di acqua per
volume di atmosfera o in termini di pressione parziale relativa del vapore rispetto
agli altri componenti atmosferici (kg/m³ o Pa) o in massa di vapore (kg) su massa d'aria
(kg).
Umidità specifica:
E’ il rapporto tra la pressione parziale dell'acqua e la pressione parziale dell'acqua
in condizioni di saturazione. Nell'ambito della termodinamica applicata si preferisce
questa seconda definizione perché, rapportandosi alla massa di aria secca, questa non
varierà mai nei normali processi termodinamici (sopra la temperatura di 132 K) al
contrario della massa di aria umida (per esempio: con la condensazione del vapore
nell'aria umida, il fluido può essere facilmente sottratto). L'umidità specifica, essendo
misurata in g/kg, risulta essere poco immediata nella descrizione della quantità di
vapore.
Umidità relativa:
Indica il rapporto percentuale tra la quantità di vapore contenuta in una massa
d'aria e la quantità massima (cioè a saturazione) che il volume d'aria può contenere
nelle stesse condizioni di temperatura e pressione. In altre parole, è il rapporto tra
l'umidità assoluta e l'umidità di saturazione. Un valore di umidità relativa pari al
100% non implica che la totalità della massa d'aria sia composta da acqua o vapore, ma
che quella massa d'aria contiene la massima quantità di vapore contenibile in quelle
condizioni senza che si abbia condensazione: in queste situazioni la possibilità di
precipitazioni è molto elevata.
Umidità di saturazione:
La quantità di vapore che può essere contenuta da una massa d'aria decresce al
diminuire della temperatura e diventa quasi nulla a -40° (Questo valore coincide nelle
scale Celsius e Fahrenheit).
Il quantitativo massimo di umidità contenibile per volume dipende dalla temperatura;
per umidità di saturazione (o tensione di saturazione) si intende il quantitativo
massimo di vapore acqueo contenibile a quella temperatura (equilibrio tra molecole che
evaporano e molecole che condensano). In situazioni reali la saturazione è influenzata
anche dalle caratteristiche dell'acqua evaporante (fase, sostanze disciolte e loro
carica, forma della superficie evaporante). Si definisce per questo una temperatura di
saturazione adiabatica.
L’umidità nell’atmosfera
A pressione costante, l'umidità assoluta aumenta all'aumentare della temperatura
dell'aria (in quanto ad elevate temperature si ha una maggiore evaporazione dell'acqua,
che si unisce all'aria sotto forma di vapore acqueo), mentre il valore dell'umidità di
saturazione è costante, quindi l'umidità relativa, essendo il rapporto tra queste due
quantità, tende a diminuire all'aumentare della temperatura e a salire al diminuire
della temperatura.
Esiste dunque una temperatura, detta "temperatura di rugiada", che corrisponde ad un
valore dell'umidità relativa pari al 100%, al di sopra della quale l'aria si trova in
condizione di sovrassaturazione, che è una condizione di non-equilibrio, per cui l'aria
tende spontaneamente ad allontanare l'acqua in eccesso in modo da riportarsi in
condizioni di equilibrio, cioè a saturazione. In condizioni di sovrassaturazione il
vapore acqueo condensa, formando la "nebbia", che è una dispersione di piccolissime
goccioline di acqua in aria. Se la nebbia incontra una superficie fredda, le goccioline
d'acqua in essa dispersa aderiscono alla superficie sotto forma di rugiada (o brina per
valori di temperatura minori di 0 °C).
Altri effetti dell'umidità atmosferica sono:
la formazione delle nubi: che sono simili alle nebbie, con la differenza che si formano
ad una distanza molto elevata rispetto al suolo;
le precipitazioni: formate dalle nubi in seguito ad un ulteriore abbassamento della
temperatura o ad un aumento della pressione;
l'evapotraspirazione del suolo, fenomeno molto importante per il mantenimento
dell'umidità del suolo, a sua volta influenzato dall'umidità atmosferica;
lo sviluppo di organismi viventi (ad esempio, in agrometeorologia, lo sviluppo di
parassiti fungini), la cui crescita è regolata dall'umidità dell'ambiente in cui vivono
Le zone climatiche
In base ai valori di umidità, possono essere identificate le seguenti tipologie di zone
climatiche:
umide
semiaride
aride.
Valori estremamente bassi di umidità relativa minima diurna (5% o poco meno, anche
nelle ore notturne può rimanere molto contenuta) si riscontrano generalmente nei
deserti, per esempio nella regione sahariana.
Durante le giornate di pioggia l'umidità relativa dell'aria in ambiente esterno
raggiunge tipicamente valori dell'80-90%.
L'umidità relativa dell'aria in situazioni di benessere varia dal 35 al 65%; non
dovrebbe mai essere superato il valore del 50% con temperature maggiori di 26 °C
Planisfero raffigurante la posizione geografica delle zone umide:
verde scuro: zone umide
verde chiaro: zone semiaride
Giallo: zone aride
Strumenti di misurazione dell’umidità
Per poter ricavare l'umidità specifica, si utilizza il nomogramma di Herloffson, che è
una cartina con riportati molte griglie di più valori e dal risultato del loro incrocio
si ottiene il valore massimo d'umidità specifica per quelle condizioni.
Lo strumento usato per misurare l'umidità relativa si chiama igrometro la cui scala è
graduata da 0% a 100%.
Tra gli strumenti per la misurazione dell'umidità atmosferica vi sono:
L'igrometro a capello:
Noto anche come igrometro di Saussure o polimetro di Lambrecht, è uno strumento che
misura l'umidità ambientale, che si basa sulla variazione della lunghezza di un ciuffo
di capelli al variare dell'umidità relativa.
Il termoigrografo:
E’ uno strumento che registra la temperatura e l'umidità relativa della massa d'aria
circostante.
La temperatura viene generalmente espressa in °C (da -50 a 50 °C) mentre l'umidità
relativa viene indicata in percentuale(da 0% a 100%)
È attualmente (2008) in uso presso le stazioni meteorologiche di tutto il mondo essendo
riconosciuto dal WMO (World Meteorological Organization) quale strumento ufficiale per
la registrazione di queste due grandezze fisiche.
Lo psicrometro:
E’ uno strumento per misurare l'umidità dell'aria, che si avvale della differenza di
temperatura tra un termometro asciutto e uno bagnato.
È costituito da due termometri affiancati, di cui uno è chiamato bulbo secco e misura
la temperatura dell'aria, mentre l'altro, avvolto in una garza di cotone imbevuta
d'acqua distillata, è chiamato bulbo umido e misura la temperatura dell'acqua a contatto
con l'aria (ovvero la temperatura di bulbo umido): l'evaporazione dell'acqua sottrae
calore abbassandone la temperatura in misura inversamente proporzionale all'umidità
dell'aria. La lettura dei due termometri permette di conoscere con tabelle o diagrammi
l'umidità relativa e assoluta dell'aria.
In alcuni modelli utilizzati in meteorologia la garza è sostituita da uno stoppino
immerso nella parte inferiore in un contenitore pieno d'acqua che rimane umido
"aspirando" l'acqua per capillarità. I modelli portatili sono muniti di una ventola
garantendo così una misura precisa anche in tempi brevi. È possibile fare a meno della
ventola utilizzando dei modelli detti "a fionda", che vengono fatti roteare
manualmente intorno ad un perno.
Tipicamente lo psicrometro viene corredato di apposite tabelle da cui è facile ricavare
il valore dell'umidità relativa, qualora siano note le temperature di bulbo secco e
umido.
Psicrometro a circolazione
forzata di Asmann
Psicrometro a fionda