CENNI DI METEOROLOGIA

Introduzione

Meteorologia Scienza che studia l'atmosfera terrestre e le sue proprietà. La meteorologia si occupa delle variazioni che si verificano di giorno in giorno nelle condizioni di tempo atmosferico ( meteorologia sinottica ); delle proprietà elettriche, ottiche e in generale fisiche dell'atmosfera ( meteorologia fisica ); del clima, ovvero delle condizioni medie ed estreme del tempo atmosferico su lunghi periodi di tempo ( climatologia ); della variazione degli elementi meteorologici in prossimità del suolo in relazione ad aree ristrette ( micrometeorologia ) e, in generale, di altri fenomeni a questi correlati. Per studiare le zone più alte dell'atmosfera (al di sopra dei 20-25 km di quota) si utilizzano tecniche particolari, proprie della disciplina che prende il nome di aeronomia .

Notizie storiche

I dotti dell'antica Grecia si dedicarono con interesse allo studio dell'atmosfera. Già nel IV secolo a.C. Aristotele aveva scritto un trattato dal titolo Meteorologica , che si occupava dello "studio di cose sollevate da terra"; da questo lavoro, circa un terzo del quale è dedicato ai fenomeni atmosferici, è stato tratto il termine moderno meteorologia. Nel corso della storia, molti dei progressi che hanno condotto alla scoperta di leggi fisiche e chimiche sono dovuti alla curiosità per i fenomeni atmosferici. Pochi passi avanti, comunque, sono stati compiuti fino al XIX secolo, fin quando cioè gli sviluppi nei campi della termodinamica e della meccanica dei fluidi hanno permesso di porre le basi teoriche della meteorologia.Poiché precise misurazioni dei parametri atmosferici sono della massima importanza in meteorologia, i grandi progressi di questa scienza sono stati possibili solo dopo l'invenzione e la messa a punto di strumenti adeguati e, più di recente, dopo la creazione di reti per la raccolta dei dati meteorologici. Le registrazioni di dati meteorologici in singole località venivano effettuate già nel XIV secolo, ma fino al XVII secolo mancavano osservazioni sistematiche eseguite su aree estese. In passato lo sviluppo delle previsioni del tempo è stato frenato dalla lentezza delle comunicazioni: si dovette attendere fino all'invenzione del telegrafo, alla metà del XIX secolo, per riuscire a trasferire rapidamente i dati meteorologici raccolti in un'intera nazione a un sito centrale, in modo da poter effettuare correlazioni e previsioni.

Nascita della moderna meteorologia

Una delle pietre miliari nello sviluppo della moderna scienza meteorologica fu posta nel corso della prima guerra mondiale, quando un gruppo di meteorologi norvegesi, guidati da Vilhelm Bjerknes, effettuò studi intensivi sulla natura dei fronti, scoprendo che masse d'aria in interazione generano i cicloni, le tipiche perturbazioni dell'emisfero settentrionale. A partire da quegli anni la ricerca poté avvalersi di nuovi strumenti, ad esempio la rawinsonda, che resero possibile lo studio delle condizioni atmosferiche a quote estremamente elevate. Subito dopo la fine della guerra il matematico britannico Lewis Fry Richardson fece il primo tentativo significativo di ottenere soluzioni numeriche delle equazioni atmosferiche per la previsione di parametri meteorologici. Per quanto i suoi sforzi non abbiano avuto successo, essi contribuirono allo straordinario progresso delle previsioni numeriche del tempo che oggi utilizziamo.

L'osservazione del tempo

Il miglioramento delle osservazioni dei venti d'alta quota, avutosi durante e dopo la seconda guerra mondiale, ha fornito la base per le nuove teorie sulla previsione del tempo rivelando la necessità di rivedere i vecchi concetti sulla circolazione atmosferica generale. Durante questo periodo i maggiori contributi alla scienza meteorologica furono dati negli Stati Uniti dal meteorologo svedese Carl-Gustav Rossby e dai suoi collaboratori, i quali scoprirono l'esistenza della cosiddetta corrente a getto, un rapido "fiume" d'aria ad alta quota nell'atmosfera che circonda tutto il globo. Nel 1950, con l'introduzione dei computer e lo sviluppo di metodi numerici per la soluzione di equazioni a un gran numero di variabili, divenne possibile applicare le teorie fondamentali dell'idrodinamica e della termodinamica al problema delle previsioni del tempo.

Osservazioni in superficie

Le osservazioni meteorologiche effettuate sulla superficie terrestre comprendono la misurazione della pressione atmosferica, della temperatura, dell'umidità, della direzione e della velocità del vento, della quantità e dell'altitudine delle nubi, della visibilità e dell'intensità delle precipitazioni sotto forma di pioggia o di neve.

Osservazioni in quota

I moderni metodi di previsione necessitano di misurazioni quantitative di vento, pressione, temperatura e umidità in aria libera. Per le misurazioni di routine in quota i meteorologi hanno sviluppato la cosiddetta rawinsonda (radio-wind-sounding device), che consiste di un insieme compatto e leggero di strumenti per la misurazione di pressione, temperatura e umidità. Tutta la strumentazione è collegata a un piccolo trasmettitore radio ad alta frequenza, che serve per inviare alle stazioni riceventi di terra il risultato delle misurazioni effettuate. L'intero dispositivo viene allacciato a un pallone a elio per essere sollevato ad alta quota. Un radiogoniometro, inoltre, segue la traiettoria del pallone, cosicché, misurando la posizione della rawinsonda a intervalli prefissati, si possono ricavare i dati sulla velocità e la direzione del vento alle varie quote. Per ottenere osservazioni in quota si impiegano anche velivoli aerei, specialmente quando uragani e tifoni minacciano aree densamente popolate. Queste pericolose tempeste tropicali vengono seguite da speciali velivoli da ricognizione meteorologica, inviati a localizzare il centro, o occhio, della tempesta e a eseguire precise misurazioni del vento, della temperatura, della pressione e dell'umidità.

Osservazioni dallo spazio

Le tecniche convenzionali di osservazione meteorologica in quota stanno rapidamente diventando inadeguate rispetto alle necessità dei nuovi metodi numerici di previsione. Le moderne teorie sulla circolazione atmosferica pongono una crescente enfasi sull'importanza dell'unità globale dell'atmosfera. Uno dei metodi di maggior successo per l'osservazione integrale dell'atmosfera si avvale dei satelliti artificiali. Si tratta di satelliti in grado di effettuare riprese fotografiche in automatico, collocati in orbite polari, che forniscono a tutte le stazioni meteorologiche opportunamente attrezzate immagini che permettono di monitorare l'andamento della nuvolosità e delle tempeste. La dotazione di sofisticate apparecchiature di ricezione dei segnali è un elemento fondamentale per il buon funzionamento dei servizi meteorologici di tutti i paesi del mondo, ma è ancora più essenziale nei paesi circondati da vaste aree oceaniche, per la previsione con largo anticipo delle tempeste che periodicamente minacciano le zone costiere. I sensori all'infrarosso di cui sono dotati i satelliti permettono la precisa valutazione della temperatura delle superfici superiori delle nubi, rendendo possibile la determinazione, seppur approssimativa, delle quote dei sistemi di nubi nell'atmosfera.Grazie alla tecnologia dei satelliti artificiali è oggi possibile riprendere immagini infrarosse ad alta risoluzione dei sistemi di perturbazione anche nelle ore notturne. L'andamento delle perturbazioni atmosferiche viene registrato in modo continuativo su circa metà della Terra per mezzo di satelliti in orbita geostazionaria su punti predeterminati, a una quota di circa 35.500 km. Le fotografie fornite dai satelliti però sono di utilità solo limitata, in quanto i moderni metodi di previsione meteorologica necessitano di osservazioni della temperatura e della pressione a livello atmosferico. Sono in corso intensi sforzi di ricerca per trovare nuovi mezzi di raccolta di dati in quota su tutto il globo: una delle possibilità in fase di verifica è la Global Horizontal Sounding Technique (GHOST) che combinerebbe i dati raccolti da una rete mondiale di palloni sonda liberamente fluttuanti nell'atmosfera, con quelli rilevati dai satelliti.

La circolazione atmosferica

La causa di tutti i moti interni dell'atmosfera è l'ineguale riscaldamento della superficie terrestre a opera della radiazione solare: le zone equatoriali sono infatti sottoposte a un riscaldamento assai più prolungato e intenso di quello a cui sono soggette le regioni polari. In risposta alle differenze di temperatura che risultano da questa disparità di insolazione del globo, l'atmosfera è interessata da un continuo e complesso meccanismo di circolazione che tende a trasferire calore dalle basse

Le previsioni del tempo

I metodi utilizzati per elaborare le previsioni del tempo hanno subito un gran numero di modifiche a partire dalla seconda guerra mondiale, in risposta ai progressi della tecnologia dei calcolatori, dei satelliti e delle comunicazioni. La ricerca in materia è ancora intensa e si attendono grandi progressi nel corso del prossimo decennio.

Interpretazioni dei dati

Per interpretare le previsioni risultanti dall'esame dei dati raccolti occorre una notevole dose di perizia. Il tempo atmosferico dipende in larga misura da condizioni locali che non possono essere comprese nei modelli. Questi pertanto non costituiscono perfette rappresentazioni dell'atmosfera, e chi deve elaborare le previsioni del tempo spesso preferisce non affidarsi completamente ai risultati forniti dai computer, ma apporta modifiche sulla base della propria esperienza.Sono stati elaborati metodi statistici per trarre vantaggio dall'esperienza ottenuta da osservazioni sull'atmosfera protratte per lunghi periodi di tempo. In alcuni di questi metodi, gli schemi di comportamento dell'atmosfera sono classificati in molti gruppi differenti, e la previsione viene fatta in riferimento al comportamento passato del gruppo a cui le condizioni osservate sono riferite; il vantaggio di questo metodo è che può essere determinata la probabilità che si verifichino vari eventi alternativi.

Attendibilità delle previsioni

L'attendibilità delle previsioni del tempo è relativa, e le percentuali di attendibilità hanno poco significato senza una descrizione dettagliata delle regole di base utilizzate per giudicare la validità della previsione. È comunque diventato normale negli ultimi anni fornire percentuali di attendibilità dall'80 all'85 per cento su periodi di una giornata. I modelli numerici hanno dato come risultato un miglioramento considerevole dell'attendibilità in confronto alle previsioni che venivano fatte in passato sulla base di metodi soggettivi. Al presente, gli studiosi sono riusciti a mostrare la capacità di prevedere specifici eventi atmosferici con un anticipo fino a cinque giorni, e sono stati ottenuti successi nelle previsioni di scostamenti dalla norma di temperature e precipitazioni entro 30 giorni.

Fisica delle nubi e modificazione del tempo

Lo studio dei processi atmosferici, quali la condensazione dell'umidità, la formazione delle nubi e la formazione delle precipitazioni, è chiamato fisica delle nubi.La formazione delle goccioline di vapore acqueo che costituiscono le nubi e l'innesco delle precipitazioni sono processi di grande complessità, non ancora del tutto chiariti. Alcuni studi teorici ipotizzano che la formazione di precipitazioni dalle goccioline delle nubi sia favorita dalla presenza di minuti cristalli di ghiaccio; dal momento però che le temperature di molte nubi di bassa quota, che producono precipitazioni cospicue, sono sempre al di sopra del punto di congelamento, è evidente che debbano esistere anche altri processi rilevanti. Un altro meccanismo ipotizzato quale responsabile del processo di precipitazione, ad esempio, è la crescita di gocce per collisione e coalescenza.

Controllo delle precipitazioni

In anni recenti i meteorologi hanno studiato la possibilità di modificare il tempo atmosferico: sono state svolte consistenti ricerche sulla possibilità di dispersione della nebbia, un risultato che gioverebbe molto al traffico aereo invernale, sulla capacità di prevenire la grandine e sulla produzione artificiale di precipitazioni. Quest'ultimo in particolare è un settore in espansione: le nubi vengono inseminate con ghiaccio secco (CO2), che causando il brusco raffreddamento del vapore atmosferico provoca la formazione di cristalli di ghiaccio e la successiva precipitazione. Esperimenti analoghi si stanno tentando con altre sostanze, quali cristalli di ioduro d'argento, di ossido di cerio o cloruro di calcio.L'efficacia delle varie tecniche viene valutata in base alla differenza tra il quantitativo di pioggia indotta con mezzi artificiali e quello che sarebbe caduto spontaneamente: una differenza di difficile determinazione, poiché le condizioni meteorologiche essenziali alla produzione di pioggia artificiale sono simili a quelle che producono le precipitazioni naturali. A quanto si sa, i mezzi artificiali si sono dimostrati in grado di modificare l'entità delle precipitazioni solo in aree limitate e in condizioni meteorologiche favorevoli. Per le nubi al di sotto del punto di congelamento dell'acqua l'agente di inseminazione più efficace è il ghiaccio secco. In queste nubi lo ioduro d'argento ha dato risultati scarsi, specialmente quando i cristalli venivano diffusi da terra anziché da aerei. Le nubi cumuliformi a temperatura relativamente alta possono essere indotte a rilasciare pioggia per mezzo di spruzzi d'acqua o con diffusione di cristalli di sale.

Recenti esperimenti hanno inoltre indicato che la grandine e le nevicate troppo abbondanti possono essere scongiurate inseminando le nubi con ioduro d'argento.

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