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La Pressione e l'Atmosfera

In questo articolo ci concentreremo su due concetti solo apparentemente semplici che costituiscono la base per le conoscenze necessarie ad un meteorologo (improvvisato e non). Cominciamo con alcune definizioni "di base":

  • Si definisce PRESSIONE una grandezza fisic a ottenuta dal rapporto tra il modulo (= grandezza o numero considerato senza segno "+" o segno "-") di una forza agente ortogonalmente (cioè su un piano immaginario di assi ortogonali formato da "ascisse" e "ordinate") su una superficie e la superficie stessa p=F/S
  • Si definisce ATMOSFERA l'insieme di gas che circondano un corpo celeste, le cui molecole sono trattenute dalla forza di gravità del corpo stesso

Partendo da queste due prime definizioni possiamo andare maggiormente nel dettaglio e definire l'atmosfera terrestre e la pressione atmosferica, termine quest'ultimo ricorrente nelle previsioni meteorologiche.

Che cos'è l'atmosfera terrestre?
L'atmosfera terrestre è appunto l'involucro di gas che compone il pianeta Terra; questo involucro nel complesso viene definito semplicemente "aria" ed è formato da Azoto (N 78,03%), Ossigeno (O2 20,95%), Vapore Acqueo, Neon, Ozono, Biossido di Carbonio, Elio,Metano, Idrogeno, Kripton, Xeno (% restante).
L'atmosfera terrestre è suddivisa anzitutto in due grandi "macro-aree" che si differenziano principalmente per la combinazione dei diversi gas ricordati prima: la prima, l'omosfera (da 0 a 100 km di quota) è caratterizzata da un'omogeneità nella composizione media dei gas non varia; la seconda, l'eterosfera (oltre i 100 km di quota) è caratterizzata da un cambiamento nella composizione media dei gas che tendono ad una prevalenza dei gas leggeri (ad esempio Elio e Idrogeno) man mano che si sale di quota [è il cosiddetto equilibrio diffusivo].

 


Un'ulteriore suddivisione dell'atmosfera terrestre viene di norma effettuata...

 

...in base a diversi parametri, primo fra tutti la temperatura che si registra alle diverse quote nella varie fasce; abbiamo così:

1) La troposfera (dai 0 km a 18 km di quota) che subisce l'influenza del riscaldamento della superficie terrestre e quindi ha una temperatura media che varia dai 15 gradi registrati al suolo ad una temperatura di circa -60 gradi.
Dal punto di vista strettamente "meteorologico" questa fascia dell'atmosfera terrestre è decisamente la più importante perchè è proprio in questo strato che si registra la presenza maggiore di vapore acqueo ed è quindi qui che si verificano la quasi totalità dei fenomeni meteorologici di rilievo, grazie anche alla notevole quantità di moti orizzontali e verticali di correnti che permettono una notevole dinamicità delle condizioni atmosferiche: l'aria degli strati più bassi, che tende a salire, genera grandi correnti convettive da cui hanno origine venti equatoriali costanti (gli alisei) e le perturbazioni atmosferiche. E' quindi a questo strato che le misurazioni relative alla pressione atmosferica fanno riferimento. E' interessante evidenziare come la zona di "passaggio" dalla troposfera alla sezione successiva sia anch'essa di rilevanza particolare per le condizioni atmosferiche al suolo: stiamo infatti parlando della cosiddetta "tropopausa" cioè quella sezione posta tra la troposfera e la stratosfera caratterizzata dalla presenza di forti venti che soffiano a velocità molto elevata (si parla di 110 km/h in media) in presenza di una temperatura di circa -55 gradi centigradi. Queste correnti, dette jet stream (correnti a getto) ruotano intorno alla Terra in direzione sostanzialmente "Ovest-Est" e hanno la peculiarità di essere lunghe e sottili, cioè si estendono sostanzialmente per migliaia di chilometri mentre hanno un'altezza di pochissimi chilometri. Le correnti a getto di cui stiamo parlando sono sostanzialmente due, quella polare e quella subtropicale e costituiscono un importante "filtro" che impedisce all'atmosfera che respiriamo di disperdersi oltre i 18 km di quota contribuendo così a determinare, insieme ad altri fattori, quella variabilità atmosferica che rende possibile quei fenomeni che sono oggetto della scienza meteorologica.

2)La stratosfera (dai 18 km di quota circa fino a 50-60 km di quota) è il secondo strato dell'atmosfera terrestre, caratterizzato diversamente dal primo da una bassa quantità di anidride carbonica (siamo quindi in presenza di aria "pulita") per cui è difficile che si formino nubi consistenti, se si escludono le cosiddette "nubi madreperlacee" che ovviamente non sono in grado di creare delle precipitazioni. La situazione relativa alla temperatura in questa sezione cambia radicalmente rispetto alla precedente: se prima essa diminuiva con l'aumentare della quota, qui invece si riscalda passando dai circa -50 gradi della tropopausa fino agli zero gradi registrati nella zona di passaggio allo strato successivo (intorno ai 50 km di quota circa). Le molecole della stratosfera sono quindi caratterizzate da una temperatura maggiore rispetto a quelle presenti nella troposfera e liberano di conseguenza maggiore energia [si tratta di un principio fisico di natura elementare] pertanto si attiva quel meccanismo di blocco (solitamente indicato con il nome di "blocco della Tropopausa") ricordato prima. Da evidenziare (alla quota di 30-40 km) la presenza della ben nota fascia di Ozono che blocca il 99% dei raggi ultravioletti dannosi provenienti dal Sole, senza la quale si verificherebbe un aumento della temperatura media dell'intero Pianeta. La presenza di questo strato di Ozono è verosimilmente la causa di un'altra inversione termica che si verifica alla fine della stratosfera dove la temperatura torna a diminuire con l'aumento della quota.

3) La mesosfera (dai 50 ai 100 km di quota circa) è la terzultima zona dell'atmosfera: qui la temperatura torna a scendere dallo zero fino a circa -80 gradi centigradi ed è la zona in cui vengono "filtrati" e distrutti i piccoli oggetti che provengono dallo spazio (come le meteoriti).

4) La termosfera (circa dai 100 ai 200 km di quota) è il penultimo strato dell'atmosfera caratterizzato da altissime temperature (nuova inversione termica dai -90 della mesosfera fino agli oltre 1000 gradi centigradi ai 500 km di quota) causato dalla presenza di molecole "leggere" che possiedono una forte energia cinetica e quindi disperdono molto calore.

 

5) L'esosfera (circa dai 200 km ai 960 km di quota) è l'ultimo strato dell'atmosfera caratterizzato da temperature superiori ai 1220 gradi, anche a causa della diretta influenza dei raggi x e ultravioletti provenienti dal Sole.

 

La suddivisione dell'atmosfera

 

 

Cos'è la pressione atmosferica?
La pressione atmosferica è la forza esercitata su qualsiasi punto dell'atmosfera terrestre o più precisamente "il peso esercitato da una colonna d'aria alta quanto l'atmosfera". L'unità di misura utilizzata anticamente era il millimetro di mercurio, ovvero quell'unità di misura derivante dal famoso "Esperimento di Torricelli" che per primo studiò e tentò di inquadrare la pressione atmosferica. Oggi l'unità riconosciuta all'interno del Sistema Internazionale è l'ETTOPASCAL (hPa) che corrisponde, per comodità e continuità con il passato, al "millibar" (mb) utilizzato fino ad una decina di anni fa. Collegandoci alla definizione generale di "pressione", definizione quindi di natura fisica, la pressione atmosferica è il risultato del rapporto tra una forza (unità di misura il NEWTON [N]) ed una superficie (unità di misura il METRO QUADRO [m2]) corrispondente appunto all'Ettopascal. Riassumendo tramite una formula:

p =1 mb =100Pa = 1 hPa = 100 N/m2

 

 

 

Come varia la pressione atmosferica?
E' inutile ripetere che la pressione atmosferica è un concetto ricorrente nella scienza della meterologia: quante volte si è sentito parlare di bassa o alta pressione in relazione ad una perturbazione in arrivo o ad un periodo di bel tempo? Ma cosa significa esattamente quella terminologia che siamo così abituati a sentire nelle previsioni meteo o nei telegiornali? Partiamo da due premesse:

1) L'aria (intesa come atmosfera) ha un suo "peso" che varia in base a diversi fattori tra i quali l'altitudine, la temperatura, la latitudine, il grado di umidità. La pressione atmosferica, come vedremo, si comporta in maniera simile.
2) Secondo i criteri riconosciuti dalla fisica (non analizzeremo in questa sede i criteri fisici specifici per i quali vale questa legge perchè i suddetti non sono utili ai nostri fini) l'aria più fredda è solitamente più densa e meno umida quindi più pesante; viceversa l'aria più calda è generalmente più umida e meno densa quindi meno pesante. Per queste ragioni, l'aria umida tende a "salire" verso l'alto mentre l'aria fredda tende a rimanere più nei bassi strati.

Fatte queste necessarie premesse possiamo analizzare secondo quali criteri varia la pressione atmosferica. Ci limiteremo in questo caso ad evidenziare i fattori che maggiormente influenzano le condizioni meteorologiche. Diciamo quindi che la pressione atmosferica varia in base:
AL CALORE ---> diminuendo la temperatura la pressione è via via più bassa
ALLA QUOTA ---> aumentando la quota diminuisce la temperatura (stiamo parlando ovviamente di ciò che accade nella troposfera) e quindi diminuisce anche la pressione. In realtà questo non è sempre vero perchè la variabile "temperatura" incide in relazione ad altri fattori; non esiste quindi una relazione sempre valida tra "quota" e "pressione", ma per comodità si riconosce in genere una variazione di 1hPa ogni 8/9 metri.
ALLA LATITUDINE ---> l'inclinazione terrestre permette , come è noto, un irraggiamento differente nelle diverse parti del Globo, creando così zone più fredde e più calde. Questo in relazione alla struttura della troposfera che abbiamo descritto in precedenza, fa sì che si creino delle strutture bariche permanenti (come il Vortice Polare o l'Anticiclone delle Azzorre) nelle zone più fredde o più calde del Pianeta caratterizzate da alta o bassa pressione a seconda della latitudine in cui ci si trova
ALLA PERCENTUALE DI UMIDITA' ---> l'aria con una maggiore percentuale di umidità è più rarefatta, meno densa e di conseguenza meno pesante: pertanto dove l'umidità è maggiore in genere la pressione è più alta mentre dove essa è presente in percentuale minore la pressione è più bassa.

Possiamo generalmente dire che la pressione atmosferica non è mai costante perchè una piccola variazione della composizione della "colonna d'aria" soprastante il suolo può far cambiare il peso dell'aria stessa e quindi mutare il livello della pressione; così riconosciamo variazioni della pressione che possono essere:
STAGIONALI ---> dovute al minore o maggiore calore riscontrato nelle diverse stagioni
LOCALI O "DI CAMPO" ---> dovute al cambiamento del tempo in una zona rispetto all'altra
GIORNALIERE ---> dovute all'influenza del Sole che fa variare la pressione al suolo in maniera costante determinando dei cicli di sei ore circa a cui corrispondono un minimo e un massimo valore di pressione in base all'irraggiamento solare.

Come influisce La Pressione Atmosferica sulle condizioni meteorologiche?
Per capire qual è l'incidenza della Pressione Atmosferica sulle condizioni meteorologiche è necessario analizzare un concetto di base tanto semplice quanto importante: ad aree nelle quali si registrano pressioni diverse corrispondono zone in cui ci sono masse d'aria di diverso "peso" e di natura differente (aria umida, aria secca, nuvole, precipitazioni ecc ecc). E' chiaro quindi, anche in relazione a quanto abbiamo visto prima, che la variazione di pressione nei diversi luoghi della superficie terrestre corrisponde a spostamenti di masse d'aria (e di venti) che trasportano e trasferiscono le particolari condizioni meteorologiche associate a tali masse d'aria.
E' il caso dello scontro tra masse d'aria differenti (i fronti), dello spostamento delle perturbazioni, del cambiamento di temperatura associato alle diverse correnti, insomma l'origine di tutti quei fenomeni che sono permessi dalla "vitalità" e dalla struttura della Troposfera.
A tal proposito è possibile formulare un "teorema" che è valido nella quasi totalità dei casi, anche se ovviamente esistono delle eccezioni: ciò a cui stiamo facendo riferimento è il postulato secondo il quale ad un aumento della pressione corrisponde un generale miglioramento delle condizioni atmosferiche (bel tempo), viceversa ad una diminuzione della pressione corrisponde un generale peggioramento delle condizioni atmosferiche.

Questo "teorema" fa riferimento ad una complessa legge fisica detta "equazione di stato dei gas perfetti" che descrive con complessi calcoli e dimostrazioni matematiche le condizioni fisiche di un gas "perfetto", si tratta quindi di una legge che si riferisce ad un elemento in realtà non esistente in natura per spiegare una realtà molto più complessa; semplificando molto le cose per non inoltrarci nel complicato mondo delle equazioni, possiamo sintetizzare affermando che secondo questa legge in presenza di condizioni costanti (anche in questo caso quindi non si contano diverse variabili che possono cambiare questo postulato come l'umidità, la latitudine, le stagioni ecc ecc... e quanto sta per essere detto vale solo il linea di massima) una pressione minore corrisponde ad una temperatura minore: se la temperatura è minore l'acqua presente nell'aria tende a condensare e "precipita" al suolo (condizioni di maltempo). Viceversa, se la pressione è più alta anche la temperatura tende ad aumentare e l'acqua presente "evapora" formando le nubi.
Le nubi "scorrono" alle diverse quote trasportate dai venti ed in base ad essi le correnti d'aria che portano una certa pressione ed una certa condizione atmosferica si spostano a loro volta determinando la molteplicità delle condizioni del Tempo.
Lo scorrimento delle nuvole
Questi meccanismi che abbiamo analizzato in realtà molto più complessi a causa di molteplici variabili che incidono su quanto abbiamo detto, spiegano però in maniera piuttosto soddisfacente quanto accade con la variazione della Pressione Atmosferica. Come ho già ricordato prima, ovviamente, esistono delle eccezioni per cui non necessariamente è valido il postulato secondo il quale ad una diminuzione di pressione corrisponde un peggioramento del Tempo e viceversa. E' necessario infatti valutare le differenti tipologie di cambiamenti della pressione, nonchè considerare molteplici altre variabili; un esempio lampante di "eccezione alla regola" è costituito ad esempio dal famoso fhoen, quel vento caldo che d'inverno soffia generalmente nella Pianura Padana Occidentale (ma non solo) portando cielo terso e temperature elevate: in questo caso la pressione atmosferica si abbassa perchè siamo in presenza di aria "secca", ma per un fenomeno complesso (che non analizzeremo in questa sede) essa è più calda e quindi ad una diminuzione della pressione dovuta all'aria meno "pesante" perchè secca non corrisponde l'arrivo (perlomeno immediato) del maltempo.


Come viene misurata e rappresentata la Pressione Atmosferica?
La Pressione atmosferica viene misurata al suolo tramite degli strumenti denominati "Barometri" che indicano il valore della pressione in Ettopascal (hPa). La misurazione avviene per mezzo di apposite stazioni meteorologiche che oltre a vari elementi analizzano proprio la pressione alle diverse quote. Per le quote più elevate vengono utilizzati i cosiddetti "Palloni Sonda".
Ma quando si dice "alta" o "bassa" pressione a cosa ci si riferisce? O meglio, la domanda che ci si pone è "alta o bassa pressione rispetto a cosa"? In questo caso il punto di riferimento, ancora una volta per comodità, è il livello medio della pressione atmosferica misurata nel corso di un anno a livello del mare a 45 gradi di latitudine, corrispondente a 1013,25 hPa.
Tale valore viene definito con il nome di "Atmosfera" (1Atm) ed è rispetto a questo che si determina se vi è alta o bassa pressione, almeno nelle rappresentazioni cartografiche.
Ma come viene "disegnata" la Pressione Atmosferica? Ovvero qual è il significato delle cartine che siamo ormai abituati a vedere tanto online quanto in televisione? Partiamo da alcuni termini e concetti fondamentali qui spiegati in maniera approssimativa per comprendere meglio l'oggetto del nostro discorso:

- come già detto, la pressione dipende dal "peso" dell'aria: l'aria si sposta da una zona all'altra della superficie terrestre, cambiando direzione e quota e per fare questo impiega una certa "energia". In relazione a questo fatto si definisce energia geopotenziale l'energia necessaria a spostare una massa d'aria di un kg fino a 1000 metri di quota

-considerando quanto appena detto,possiamo definire l'altezza di geopotenziale (o semplicemente geopotenziale) come il rapporto tra l'Energia Geopotenziale e la costante di accelerazione gravitazionale (9,8). Questa altezza geopotenziale corrisponde grossomodo all'altezza geometrica (per calcoli e dimostrazioni matematiche che qui non analizzeremo) ed è fondamentale nelle rappresentazioni cartografiche della Pressione.

-il geopotenziale trova un'applicazione nella rappresentazione di superfici isobariche ovvero superfici "ideali" non esistenti quindi in natura (ricordiamo che la pressione non è mai costante sulla superficie terrestre per i motivi ricordati prima) i cui punti hanno la medesima pressione. Dato che non è agevole (perchè complicato e poco economico) creare delle cartine isobariche per i diversi livelli di quota (ad esempio 700,1000, 1200 metri), per comodità per conoscere l'andamento della pressione e di conseguenza delle condizioni meteorologiche, oggi si fa riferimento a cartine in cui le superfici isobariche rappresentate hanno la stessa altezza geopotenziale (quindi anche grossomodo la stessa altezza geometrica). Le linee che si notano in queste cartine (le più famose sono le carte a 500 e 850 hPa) sono dette "isoipse" e rappresentano la diversa altezza dal livello del mare in cui ritroviamo un determinato livello di pressione (850 hPa, 500 hpa ecc ecc). Per concludere, nelle cartine che abbiamo appena descritto (le cosiddette "topografie assolute") accanto alle quote e ai livelli di pressione possiamo trovare anche le cosiddette "isoterme"ovvero quelle linee i cui punti hanno lo stesso livello di pressione, lo stesso geopotenziale, la stessa altezza (tipiche in questo caso le rappresentazioni delle cartine a 850 hPa).

  • cartina meteorologica (geopotenziale non specificato): le linee nere sottili sono "isobare" ed indicano un livello di pressione che è costante in tutti i suoi punti:

Isobare

  • cartina geopotenziale(Italia): le linee sono "isoipse" ed indicano l'altezza (espressa in questo caso in Decametri) geopotenziale e geometrica [che ricordiamo coincidono] nelle quali è presente un dato valore di pressione (500 hPa, 850 hPa ecc ecc):

Isoipse

  • cartina a 850 hPa: le linee sono "isoterme" ed indicano la temperatura prevista alla quota in cui è presente una pressione di 850 hPa:

Isoterme

 

Simone Borio

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