Introduzione
Dell’atmosfera ne abbiamo già parlato proprio all’inizio di questo corso ma in maniera più superficiale poichè l’argomento era indirizzato al funzionamento ed alla lettura degli strumenti di volo. Ora riaffrontiamo l’argomento per motivi metereologici.
L’atmosfera è la massa gassosa che avvolge la terra e che la segue nei suoi movimenti di rotazione e di rivoluzione.
L’atmosfera è vincolata al pianeta dalla forza di gravità cui vanno soggette anche le particelle gassose, che altrimenti tenderebbero a disperdersi nello spazio siderale. In conseguenza di ciò l’atmosfera ha densità decrescente dal livello del suolo fino ai limiti dell’attrazione terrestre.
A causa delle differenze di temperatura indotte dal diverso irraggiamento solare, nonché della forza centrifuga generata dalla rotazione terrestre, l’atmosfera va soggetta a un continuo mescolamento che porta le particelle d’aria a spostarsi sia orizzontalmente sia verticalmente.
I fenomeni meteorologici che si manifestano nell’atmosfera sono generati da questi moti dell’aria e dal fatto che essa contiene sempre una certa quantità di vapore acqueo proveniente dalle superfici degli oceani e dai cicli vitali degli esseri viventi.
Il vapore acqueo, pur essendo più leggero dell’aria, si trova solo negli strati più bassi dell’ atmosfera grazie al fatto che, salendo, esso condensa e quindi ricade sulla superficie del pianeta sotto forma di acqua allo stato liquido o solido.
La struttura dell’atmosfera
L’aria è un miscuglio di diversi gas, tra i quali sono preponderanti l’azoto con il 78% e l’ossigeno con il 21 %. Il rimanente 1 % comprende anidride carbonica, argo, neon, elio, idrogeno, e altri gas minori. L’aria contiene inoltre sempre vapore acqueo in quantità variabili da percentuali trascurabili fino ad arrivare al 5% in volume. Al crescere della quantità di vapore presente nell’aria, le percentuali degli altri gas diminuiscono proporzionalmente.
L’atmosfera si estende verticalmente dalla superficie terrestre fino a circa 100 km.
In funzione delle variazioni che la temperatura presenta al variare della quota, l’atmosfera viene suddivisa in quattro strati.
Lo strato più basso, a contatto con la superficie terrestre, si chiama troposfera e si estende per un’ altezza variabile da circa 8.000 metri sulla verticale dei poli, fino a 20.000 metri sulla verticale dell’ equatore.
Caratteristica della troposfera è la diminuzione di temperatura che si verifica in modo più o meno uniforme dalla superficie terrestre fino alle quote sopra citate come illustro in figura.
La troposfera è una massa d’aria che circonda la terra, contenuta da una sottile superficie chiamata tropopausa, lungo la quale la temperatura dell’aria cessa di diminuire dopo aver raggiunto il valore medio di -56,5°C, e si mantiene pressoché costante per tutto lo spessore dello strato sovrastante chiamato stratosfera.
L’altezza della tropopausa varia in funzione del calore posseduto dall’aria sottostante. Per questa ragione è maggiore d’estate che non d’inverno, ed è maggiore all’equatore che non ai poli.
La maggiore altezza della tropopausa all’equatore è dovuta anche alla forza centrifuga generata dalla rotazione terrestre.
L’atmosfera standard
Al fine di avere, per l’atmosfera, parametri costanti, necessari come riferimento durante svariate operazioni tecniche (taratura di strumenti, certificazione di aerei e motori, eccetera), è stato internazionalmente convenuto di istituire l’atmosfera standard, o ISA (International Standard Atmosphere), i cui valori rappresentano la media delle differenti condizioni atmosferiche esistenti sulla Terra a diverse latitudini, a diverse altezze e in diverse stagioni.
Ecco i suoi dati caratteristici:
- Aria considerata fluido perfetto e completamente priva di umidità, vapore acqueo, e pulviscolo presa a 45° di latitudine;
- pressione al livello del mare Po = 1.013,2 hectopascal, o 29,92 pollici di mercurio;
- densità al livello del mare po = 1,225 kglm;
- temperatura al livello del mare to = 15°C.;
- gradiente termico verticale, costante fino alla tropopausa, pari a 0,65°C ogni 100 metri (circa 2°C ogni 1.000 piedi); tropopausa a 11.000 metri (36.089 piedi) con temperatura di -56,5°C;
- temperatura di congelamento dell’ acqua =0° C;
- gradiente barico verticale pari a 1 hpa ogni 27 piedi al livello del mare, decrescente con la quota.
I dati dell’atmosfera standard sono invariabili per cui l’aria va immaginata come perfettamente immobile rispetto alla terra.
La densità dell’aria, indicata con la lettera greca p (rò), così come quella di qualunque altro gas, può essere definita come il numero di molecole contenute in un determinato volume, e dipende perciò dalla pressione e dalla temperatura: aumenta all’aumentare della pressione e al diminuire re della temperatura, e viceversa.
La densità dell’atmosfera standard al livello del mare viene indicata con p0 (rho zero). Molto usato per determinati calcoli è il rapporto fra la densità dell’aria in una determinata condizione e la densità dell’atmosfera standard al livello del mare, che prende il nome di densità relativa, ed è indicato con la lettera greca Σ (sigma).
Le grandezze caratteristiche dell’atmosfera – La pressione
La fisica definisce come pressione la forza esercitata ortogonalmente sull’unità di superficie. Poiché anche le molecole d’aria vanno soggette all’attrazione terrestre, cioè pesano, la forza che il loro peso esercita sull’unità di area della superficie terrestre costituisce la pressione atmosferica.
È evidente che se si prende come superficie di riferimento, anziché quella terrestre, una qualunque altra superficie posta più in alto, la pressione atmosferica su di essa ha un valore minore, essendo proporzionalmente minore il peso totale della colonna d’aria sovrastante.
La pressione si misura con in barometri. L’unità di misura della pressione adottata in aviazione è l’hectopascal (hpa), equivalente al millibar usato in precedenza.
Le grandezze caratteristiche dell’atmosfera – Le superfici isobariche
Se i parametri dell’ atmosfera corrispondessero ai valori di quella standard, sulla Terra ci sarebbe sempre una pressione di 1.013 hectopascal al livello del mare, la cui superficie sarebbe perciò coincidente con la superficie isobarica (cioè superficie soggetta a uguale pressione) di 1.013 hectopascal.
Salendo in quota di 27 piedi si incontrerebbe la superficie isobarica di 1.012 hectopascal, esattamente parallela alla superficie del mare, e quindi anche perfettamente piana e parallela alla 1.013; salendo di altri 27 piedi si incontrerebbe la superficie isobarica di 1.011 hectopascal, anch’essa perfettamente piana e parallela alla 1.012, e così via all’aumentare della quota.
Il rapporto tra la differenza di pressione esistente tra due superfici isobariche e la distanza verticale esistente tra di esse si chiama gradiente barico verticale, che in atmosfera standard al livello del mare, sappiamo essere di 1 hectopascal ogni 27 piedi (o 8 metri) di quota.
Però questo valore può essere considerato costante solo negli strati più bassi dell’atmosfera perché, mano a mano che si sale, la colonna d’aria sovrastante diminuisce di densità e quindi di peso, ragione per cui bisogna salire sempre di più per ottenere uguali diminuzioni di pressione.
Nell’atmosfera reale le superfici isobariche non sono quasi mai superfici piane equidistanti, bensì superfici ondulate la cui distanza reciproca può variare in più o in meno da punto a punto.
Come illustra la figura, tagliando il “pacco” delle superfici isobariche con un piano orizzontale corrispondente al livello del mare, esse lasciano tracce che rappresentano il luogo dei punti di uguale pressione. Queste linee sono appunto chiamate isobare e vengono riportate sulle carte del tempo in superficie con intervalli, in genere, di 4 hectopascal l’una dall’altra.
L’insieme di più isobare costituisce una conformazione barica. A seconda della disposizione e dell’andamento delle isobare, le conformazioni bariche riportate sulle carte di analisi al suolo assumono le seguenti denominazioni:
- anticiclone, indicato con la lettera A o H (high), là dove più isobare chiuse su se stesse hanno al centro l’alta pressione;
- ciclone, indicato con la lettera B o L (low),là dove più isobare chiuse su se stesse hanno al centro la bassa pressione;
- promontorio là dove una zona di alta pressione si estende entro una zona di pressione minore:
– saccatura là dove una zona di bassa pressione si estende entro una zona di pressione maggiore;
– sella là dove una zona compresa tra due alte e due basse pressioni assume appunto la conformazione di sella per cavalcatura;
– pendio là dove le isobare sono pressoché rettilinee e parallele.
Il rapporto tra la differenza di pressione esistente fra due isobare e la loro distanza misurata in linea retta, costituisce il gradiente barico orizzontale, che è tanto maggiore quanto minore è la distanza tra le due isobare.
Il gradiente barico orizzontale, per convenzione calcolato sulla distanza angolare di un grado meridiano (60 NM circa 111 Km), è un parametro importantissimo in quanto è la causa degli spostamenti delle masse d’aria da un punto all’altro della terra e quindi è all’origine dei venti.
Le conformazioni bariche che rappresentano la distribuzione della pressione sulla superficie terrestre sono essenziali per la conoscenza del tempo meteorologico e del suo sviluppo, nonchè per fare le previsioni del tempo.
Le grandezze caratteristiche dell’atmosfera – La temperatura
Vediamo innanzitutto qual’è il meccanismo del riscaldamento dell’ atmosfera. Ovviamente la sorgente di calore è il Sole, che irradia nello spazio enormi quantità di energia termica e luminosa.
La superficie della Terra esposta alla radiazione solare assorbe una piccola parte di questa energia (piccola rispetto al totale emesso dal Sole), la quale attraversa l’atmosfera senza innalzarne la temperatura in modo significativo. In altre parole, il Sole riscalda la Terra per irraggiamento, senza che l’atmosfera assorba calore dai raggi che l’attraversano.
Il calore che giunge sulla superficie terrestre viene assorbito e quindi riceduto agli strati dell’atmosfera a immediato contatto con il suolo, i quali a loro volta lo cedono per convezione a quelli superiori.
Se l’atmosfera fosse quella standard, la temperatura decrescerebbe dal suolo (fonte del calore, anche se indiretta) verso l’alto, con un gradiente termico verticale di 6,5°C ogni 1.000 metri (o 2°C ogni 1.000 piedi).
E se la superficie terrestre fosse uniformemente riscaldata dall’irraggiamento solare, l’atmosfera sarebbe in quiete, cioè non ci sarebbero spostamenti di masse d’aria né orizzontalmente né verticalmente.
In pratica, però, la superficie terrestre viene riscaldata in modo molto vario per due ragioni principali: il diverso irraggiamento solare nel tempo e nello spazio e la diversa capacità termica delle varie parti della superficie terrestre.
Il diverso irraggiamento è dovuto a sua volta a una serie di cause, tra cui le principali solo la sfericità della Terra, l’alternarsi delle stagioni, la rotazione terrestre con l’alternarsi del giorno e della notte, la diversa esposizione ai raggi solari dei terreni montuosi o comunque non pianeggianti e la diversa copertura del cielo da parte delle nubi.
La diversa capacità termica del terreno, invece, si traduce in pratica nella sua capacità maggiore o minore di trattenere il calore del Sole.
Le superfici con grande capacità termica, per esempio quelle ricoperte di acqua, durante l’irraggiamento solare trattengono una grande quantità di calore, mentre ne cedono all’atmosfera sovrastante una piccola quantità.
Ciò comporta che quando l’irraggiamento solare cessa, la superficie ha ancora molto calore immagazzinato e può continuare a cederlo anche per lungo tempo dopo che ha cessato di riceverne.
Le superfici con scarsa capacità termica, invece, quali i terreni rocciosi o sabbiosi, durante l’irraggiamento solare trattengono percentuali molto minori di calore, mentre ne cedono immediatamente all’atmosfera la maggior parte.
Pertanto, una volta cessato l’irraggiamento, queste superfici si raffreddano molto rapidamente avendo poco calore immagazzinato da cedere.
Da ciò deriva il fatto che durante il giorno (o durante l’estate) il terreno è molto più caldo dell’acqua perché la cessione di calore è molto maggiore; mentre di notte (o d’inverno) è l’acqua a essere più calda del terreno, appunto perché ha ancora calore immagazzinato da cedere.
La temperatura si misura con i termometri ed in aviazione si usano due scale termometriche:
- la scala centigrada, o Celsius, che è quella del Sistema Internazionale, in cui la graduazione 0 (zero) corrisponde alla temperatura del ghiaccio fondente e la graduazione 100 corrisponde alla temperatura dell’acqua bollente;
- la scala Fahrenheit, avente i valori 32 e 212 corrispondenti rispettivamente ai valori O e 100 della scala centigrada, ancora in uso nei paesi anglosassoni.
Per convertire i valori centigradi in valori Fahrenheit e viceversa, dato che i 100 gradi della prima scala corrispondono a 180 della seconda, si usa la proporzione °C : (°F – 32) = 100: 180.
Da cui si ricava che: °C = 5/9 (°F-32) e °F = 9/5 (°C+32).
