Le Basi della Meteorologia

Occorre innanzitutto ricordare che tutti i fenomeni meteorologici che conosciamo, l’alternarsi del caldo e del freddo, del tempo umido e del tempo secco, del sereno e del nuvoloso, si verificano in uno strato assai limitato dell’atmosfera noto con il nome di “troposfera”. Questo è lo strato più basso dell’atmosfera e raggiunge un’altezza, dal suolo, di 16 chilometri all’Equatore e 8 chilometri ai poli. All’interno di questo strato è importante conoscere la dinamica dei fluidi (acqua e aria), che costituisce l’aspetto principale dello studio del tempo. Lo spostamento delle masse d’aria che ci circonda, con la sua temperatura, la sua umidità e la sua pressione, dovuti principalmente all’energia che il Sole fornisce alla Terra, sta alla base di tutti i fenomeni meteorologici. L’aria ha un proprio peso, vale a dire che può essere più o meno pesante a seconda della sua temperatura; noi non ci rendiamo direttamente conto del peso dell’aria che ci sovrasta, perché siamo abituati a sentirla fin dalla nascita. Sentiamo il suo spostamento e la sua temperatura, ma non ci accorgiamo del peso. Tanto per renderci conto, la pressione dell’aria al livello del mare è in media di 1 Kg a centimetro quadrato. Questa si misura in “hectopascal” (hPa), che corrisponde al millibar (mb). Questa pressione diminuisce con l’altezza, nella ragione di circa 1 hPa ogni 8-9 metri (l’altimetro si basa su questa caratteristica). La variazione della pressione non è dovuta esclusivamente all’altezza, ma anche alla sua temperatura. L’aria calda è meno densa dell’aria fredda ed ha tendenza a salire verso l’alto, diminuendo di pressione, mentre il raffreddamento dell’aria causa un suo abbassamento accompagnato da un aumento della pressione, causato dalla sua compressione. La Terra, con il suo movimento rotatorio antiorario attorno al proprio asse, influenza la traiettoria dei fluidi, deviandoli, qualunque sia la loro direzione, verso destra nell’emisfero Nord e verso sinistra in quello Sud. L’aria si sposta dalle zone di alta pressione verso quelle di bassa pressione e, per quanto detto sopra, ruota, nell’emisfero Nord, in senso orario nelle alte pressioni e in senso antiorario nelle basse pressioni. Nell’emisfero Sud avviene esattamente il contrario. In termini più semplici il vento tende a spostarsi dal centro verso la periferia delle alte pressioni, ruotando in senso orario, mentre nelle basse pressioni lo spostamento avviene dalla periferia verso il centro, con rotazione antioraria.

Regola di Buys Ballot
Questa spiegazione la si deve alla regola del meteorologo olandese Buys Ballot, la quale dice che, se un osservatore si pone con le spalle al vento, individuerà la zona di bassa pressione sulla propria sinistra e l’alta pressione sulla propria destra. Come detto, l’aria calda, essendo più leggera, tende a salire, mentre quella fredda, più pesante, tende a scendere e ad espandersi. Questo è ciò che si verifica nelle brezze di terra e nelle brezze di mare, che ciascuno di noi ha potuto osservare lungo le coste. Questo fenomeno è dovuto alla diversa natura con cui sono costituiti il mare e la terra; questi elementi hanno proprietà termiche differenti. La terra si riscalda e si raffredda molto velocemente, mentre il mare si raffredda e si riscalda molto più lentamente. Pertanto avremo che di giorno la terra si riscalda per effetto dell’azione solare più velocemente del mare e l’aria che la sovrasta, riscaldandosi, tende a sollevarsi, mentre l’aria che sovrasta il mare, più fredda, tende ad espandersi e a riempire lo spazio lasciato vuoto dall’aria calda, si ha quindi un movimento di aria fresca che dal mare si sposta verso terra, è la brezza di mare, quella che noi sardi chiamiamo imbattu. Di notte avviene esattamente il contrario, la terra si raffredda velocemente mentre il mare si mantiene meno freddo, qui l’aria che lo sovrasta si scalda sollevandosi e favorendo quindi l’espansione dell’aria fredda che si trova sulla terra, che si muoverà verso il mare, dando origine alla brezza di terra.

Aria stabile ed aria instabile
L’aria che è costituita da un insieme di gas, oltre ai due principali, ossigeno e azoto, contiene sempre anche un grande quantità d’acqua, che appare invisibile quando è sotto forma di vapore acqueo o in forma liquida e solida come avviene nelle nubi. Questa grande quantità d’acqua contenuta nell’aria è dovuta all’azione dell’irraggiamento solare, che, scaldando gli oceani e tutte le altre zone umide della Terra, genera una notevole evaporazione. Abbiamo già visto che l’aria ha un proprio peso (pressione), una certa temperatura e una certa quantità d’acqua. Raramente le particelle d’aria sono immobili e ad ogni loro spostamento corrisponde una loro trasformazione. Così, in una certa massa d’aria che, con la sua temperatura, pressione e quantità di vapore acqueo, si muove lungo un pendio, si avrà una sua diminuzione di pressione e conseguentemente si avrà anche un suo raffreddamento (che in pratica corrisponde a 1° per ogni 100 metri). La stessa massa d’aria, ridiscendendo il pendio, tornerà alle condizioni iniziali, scaldandosi per effetto della compressione (aumento della pressione), con lo stesso ritmo che ha avuto nella fase di raffreddamento (1° ogni 100 metri). In questo caso la massa d’aria si è spostata senza subire, al termine del suo percorso, nessuna variazione di temperatura e si dice che il suo movimento si è verificato in maniera adiabatica. In questa massa d’aria in movimento, che contiene acqua solo sotto forma di vapore, il coefficiente della temperatura, che varia di 1° ogni 100 m, si chiama gradiente adiabatico secco. In una colonna verticale d’aria si possono verificare sia movimenti ascendenti che movimenti discendenti. Se questi movimenti vengono rapidamente smorzati si parla di aria stabile, in caso contrario, quando cioè i movimenti sono amplificati, si parla di massa d’aria instabile. Così, se in una colonna d’aria il cui gradiente termico (cioè il tasso di variazione della temperatura tra la base e la sommità della colonna) risultasse inferiore al gradiente adiabatico secco (1° ogni 100m) una particella d’aria appartenente a questa colonna che si sollevasse per un effetto qualsiasi di 100 metri, si troverebbe ad essere più fredda dell’aria circostante, quindi più densa e, conseguentemente, più pesante e tenderà a scendere. Nella stessa colonna, una particella che si abbassasse di 100 metri si troverebbe ad essere più calda e quindi più leggera dell’aria circostante e tenderà a risalire. Se, invece, il gradiente termico verticale risultasse superiore al gradiente adiabatico secco, supponiamo 1°.3, una particella che si innalzasse, per una causa qualsiasi, di 100 metri si raffredderebbe soltanto di un grado, sarà ancora calda e tenderà ancora a salire. Nello stesso modo se la particella si abbassasse di 100 metri, si raffredderebbe di un grado, risultando più fredda e manterrà la tendenza a continuare la discesa. Questi movimenti verticali all’interno di una colonna d’aria, provocano turbolenza tipica di una massa d’aria instabile. Pertanto possiamo dire che ogni causa che tenda a incrementare il gradiente termico verticale di una massa d’aria, sia che si tratti di un riscaldamento dal basso o di un raffreddamento degli strati alti, tende a rendere la massa d’aria instabile. Mentre tutto ciò che tende a ridurre il gradiente termico verticale (riscaldamento in alto e raffreddamento in basso) tende a rendere la massa d’aria stabile. Riconosceremo la stabilità o l’instabilità di una massa d’aria osservando il vento che si genera. In una massa d’aria stabile i venti possono essere forti, ma comunque hanno una certa regolarità, viceversa in una massa d’aria instabile i venti soffiano in modo irregolare, spesso accompagnato da raffiche. Per l’identificazione di queste masse d’aria ci sarà di grande aiuto l’osservazione delle nubi, ma questo sarà oggetto di un prossimo articolo.