La forza di gradiente e la forza di Coriolis

Trattando dei moti convettivi abbiamo visto che lo spostamento delle masse d’aria lungo la superficie terrestre è dovuto alla presenza di zone del pianeta aventi pressioni atmosferiche diverse l’una dall’altra, a loro volta generate dal diverso riscaldamento dell’atmosfera.
Abbiamo anche detto che il rapporto fra la differenza di pressione e la distanza che separa due punti della Terra si chiama gradiente barico orizzontale.

Con l’aiuto della figura, vediamo quali sono le forze che agiscono su ogni singola particella d’aria soggetta a un gradiente barico orizzontale.

Quando la particella si trova ferma in A sull’isobara di maggior pressione, essa va soggetta alla forza barica, o forza di gradiente, che tende a farla spostare accelerandola perpendicolarmente alle isobare, da quella di più alta verso quella di più bassa pressione, cioè verso B.
Questa è appunto la traiettoria che la particella seguirebbe con velocità via via crescente se la Terra non ruotasse su se stessa.

Però, siccome la Terra ruota intorno al proprio asse, non appena la particella inizia a viaggiare da A verso B va soggetta a una forza che agisce sempre perpendicolarmente alla direzione del moto, chiamata forza deviante di Coriolis, dal nome del fisico che ne studiò gli effetti.
La forza di Coriolis interviene a deviare il moto verso destra nel nostro emisfero, e verso sinistra nell’emisfero sud.
La sua intensità, che è massima ai poli e nulla all’equatore, è inoltre direttamente proporzionale alla velocità della particella: perciò è nulla quando questa è in quiete e cresce fino a diventare uguale alla forza di gradiente mano a mano che la velocità della particella aumenta.

La figura aiuta a visualizzare perchè la forza di Coriolis agisce verso destra nel nostro emisfero e verso sinistra nell’emisfero sud. Il senso di rotazione del disco è quello in cui ruota anche la Terra quando osservata dal Polo nord.
Se sul disco si traccia, con un pezzo di gesso una linea che parte dal perno, la mano fa il movimento rappresentato dalla linea a tratto intero, mentre la traccia lasciata dal gesso sul disco ha l’andamento rappresentato dalla linea tratteggiata: essa è cioè deviata verso destra rispetto alla traiettoria seguita dal gesso relativamente allo spazio esterno al disco, così come è deviata la traiettoria di una particella d’aria che si muove dal Polo verso l’equatore rispetto alla traiettoria che la stessa particella seguirebbe qualora la Terra non ruotasse.
Se il disco ruotasse in senso contrario, cioè nel senso in cui ruota la Terra vista dal Polo sud, la traccia sarebbe deviata verso sinistra, come appunto succede alle particelle d’aria che si muovono dal polo sud verso l’equatore.

Tornando alla figura precedente, sotto l’azione della forza deviante, la particella d’aria in figura segue perciò una traiettoria curva della quale sono messi in evidenza alcuni Punti.
In C la particella è sempre soggetta alla stessa forza di gradiente, che, componendosi però con quella di Coriolis perpendicolare alla direzione del moto, fa si che fa traiettoria non sia più diretta perpendicolarmente alle isobare com’era A ma sia deviata verso D.

Passando attraverso alle successive posizioni D ed E, in cui la deviazione della traiettoria fa si che la direzione della forza di Coriolis sia sempre più diretta verso l’isobara di maggior pressione, la particella F, dove la forza di gradiente e la forza deviante sono in opposizione diretta, e quindi si equilibrano, facendo si che la particella mantenga una traiettoria parallela alle isobare.

La forza barica di gradiente è quindi il “motore” del vento e con la sua intensità ne determina la velocità.
Quando una conformazione barica ha le isobare molto vicine le une alle altre, il gradiente barico orizzontale è molto elevato e quindi lo è anche la velocità del vento.
Viceversa avviene se le isobare o le isoipse sono molto distanziate.
L’effetto della forza deviante di Coriolis è invece quello di far muovere il vento parallelamente alle isobare, anziché perpendicolarmente.
Il vento che, sotto l’azione combinata della forza di gradiente e della forza deviante, si muove parallelamente alle isobare ad andamento pressoché rettilineo, è chiamato vento geostrofico.

La forza centrifuga

Quando le isobare sono curve, come nel caso dei cicloni e degli anticicloni, alla forza barica e alla forza deviante di Coriolis si aggiunge la forza centrifuga, generata dal moto circolare cui sono sottoposte le particelle d’aria.
La forza centrifuga è tanto maggiore quanto minore è il raggio di curvatura delle isobare, e quanto maggiore è la velocita del vento.

Come illustra la figura, l’azione della forza centrifuga fa sì che a parità di gradiente, la velocità del vento tra due isobare curve sia diversa dalla velocità del vento tra due isobare rettilinee: minore quando la curvatura delle isobare è ciclonica, e maggiore quando la curvatura è anticiclonica.

Infatti, quando la curvatura è ciclonica, la forza centrifuga si oppone alla forza barica diretta verso il centro di bassa pressione, ragione per cui la velocità impressa alla particella d’aria dalla forza risultante è minore che non quando le isobare sono rettilinee e la forza centrifuga è assente.

Quando invece la curvatura è anticiclonica, la forza centrifuga si somma all’azione della forza barica diretta via dal centro di alta pressione, ragione per cui la velocità impressa alla particella dall’azione congiunta delle due forze è maggiore.
L’intensità della forza di Coriolis, essendo proporzionale alla velocità del vento, è in ogni caso uguale alla somma vettoriale della forza di gradiente e della forza centrifuga.

II vento che, sotto l’azione combinata della forza di gradiente, della forza deviante, e della forza centrifuga, si muove concentricamente alle isobare ad andamento curvo prende il nome di vento geostrofico.