Atmosfera, stratificazioni, perturbazioni

COMPOSIZIONE, SUDDIVISIONE E LIMITE DELL’ATMOSFERA.

Composizione dell'atmosfera

Il miscuglio di gas che avvolge il nostro pianeta non presenta caratteristiche omogenee. La composizione dell’atmosfera nella porzione più bassa, presso la superficie terrestre (l’aria che ci circonda) contiene in media:

- il 78.08% (in volume) di azoto;

- il 20,95% di ossigeno;

- lo 0,93% di argon e lo 0.03% di anidride carbonica;

- lo 0,01% di altri gas (neon, elio, kripton, xenon, idrogeno, ozono, anidride solforosa, ammoniaca, ossido di carbonio ecc.).

Dopo l’altezza di 100 Km la radiazione solare opera un’intensa dissociazione dei gas, con passaggio dallo stato molecolare allo stato atomico e con una serie di reazioni chimiche che fanno mutare la percentuale dei vari componenti; si fa sempre più abbondante l’ossigeno atomico, fino all'altezza di 800 Km circa; ancora più in alto dovrebbero prevalere i gas più leggeri, come idrogeno e elio.

Oltre a questi componenti, l’atmosfera contiene sempre una certa quantità di impurezze, cioè di polveri provenienti dalla superficie terrestre e dallo spazio interplanetario, sali e prodotti di combustione, che costituiscono il pulviscolo atmosferico. Importantissimo è poi il vapore acqueo, di cui la massima parte si trova negri strati più bassi dell’atmosfera; in parte esso condensa e si manifesta sotto forma di nebbia e nuvole. Nonostante la sua limitata presenza complessiva (3-4% in tutta l’atmosfera), l’acqua può essere considerata come la causa determinante della maggior parte dei fenomeni che si svolgono negli strati più bassi dell’atmosfera.

Fra tutti i componenti dell’aria, il più importante per noi è l’ossigeno. Al altezze superiori di una decina di kilometri l’atmosfera contiene non soltanto l’ossigeno biatomico (O2), bensì anche quello in molecole triatomiche, cioè l’ozono (O3); questo gas assorbe le radiazioni ultraviolette dello spettro solare, nocive per gli esseri viventi.

L’azoto, il componente più abbondante, è inerte nella funzione respiratoria del mondo organico; esso viene assorbito direttamente dall’aria solo da alcune piante come le leguminose. Inerti sono anche l’argon e i gas rari.

L’anidride carbonica invece viene assorbita dai vegetali con la funzione clorofilliana ed è da questi utilizzata per fissare il carbonio. Essa contribuisce anche a trattenere il calore irradiato dalla Terra nello spazio, per cui le sue variazioni influiscono sulla temperatura dell’aria; essa è più abbondante durante la notte perché le piante la assorbono solo sotto l’azione della luce solare.

GLI STRATI DELL’ATMOSFERA (“SFERE”)

Struttura dell'atmosfera

Dalla superficie terrestre all’altezza media di 10-12 Km c’è la troposfera, il cui limite superiore è la tropopausa; dalla tropopausa ai 50-60 Km si estende la stratosfera, limitata superiormente dalla stratopausa; al di sopra di questo livello e fino all’altezza di 80 Km circa si sviluppa la mesosfera, il cui limite superiore è dato dalla mesopausa; dagli 80-90 Km ai 400-500 Km si estende la termosfera, che termina verso l’alto con la termopausa; oltre la termo pausa ha inizio la esosfera.

- La TROPOSFERA = la parte più bassa e più densa dell’atmosfera; in essa sono concentrati ¾ dell’intera massa gassosa, quasi tutto il vapore acqueo ed è il regno della vita e delle perturbazioni meteorologiche. La troposfera è caratterizzata dalla presenza di movimenti orizzontali e verticali di masse d’aria, legati alla rotazione terrestre e agli squilibri termici. Le correnti aeree dominanti sono occidentali e la loro velocità in genere cresce con l’altezza, raggiungendo il massimo (fino a 400-500 Km/h) verso la tropopausa; il loro trasporto orizzontale provoca moti turbolenti che producono un continuo rimescolamento dell’aria. A causa dei moti verticali ascendenti e discendenti delle masse d’aria, si formano e si dissolvono le nubi e si hanno le precipitazioni.

- La STRATOSFERA = i componenti gassosi rimangono in proporzioni costanti, ma sono sempre più rarefatti. Il vapore acqueo e il pulviscolo atmosferico diminuiscono rapidamente con la quota e non si hanno formazioni nuvolose con precipitazioni; intorno ai – Km appaiono a volte nubi sottili e iridescenti (nubi madreperlacee), costituite forse da cristalli di ghiaccio; anche in essa si ha una intensa circolazione d’aria, con notevoli variazioni anche orizzontali della temperatura e con venti che possono raggiungere velocità elevate.

- La MESOSFERA = è caratterizzata da una accentuata rarefazione degli elementi gassosi e da un graduale aumento di quelli più leggeri a scapito di quelli più pesanti.

- La TERMOSFERA = le proporzioni dei vari componenti gassosi appaiono cambiate e la densità è sempre minore procedendo verso l’alto.

- L’ESOSFERA = è la parte più esterna e perciò la meno conosciuta. La regione dove le particelle gassose sono ormai fuori del campo di gravitazione del nostro pianeta e non partecipano più alla rotazione terrestre è detta frangia dell’atmosfera. Comunemente essa si considera estesa fino ai 2000-2500 Km, ma questo limite è solo convenzionale. In realtà bisognerebbe dire che l’atmosfera termina dove la sua densità diviene uguale a quelli di gas della corona solare in cui è immersa e con cui ha scambi non solo di calore, ma anche di particelle materiali; ed essendo il limite della corona solare variabile, anche quello dell’atmosfera sarà variabile.

I VENTI

Pressione atmosferica e venti

La pressione atmosferica, ossia il rapporto fra il peso dell’aria e la superficie su cui agisce, ha come unità di misura adottata universalmente in Meteorologia il millesimo di bar o millibar (mb). La pressione normale di 760 mmHg equivale a circa 1013 millibar.

La pressione atmosferica è legata a diversi fattori geografici e meteorologici:

- L’altitudine = elevandosi sopra il livello del mare essa diminuisce, perché si riduce lo spessore della colonna d’aria sovrastante che grava sulla unità di superficie.

- La temperatura = col riscaldamento l’aria si dilata, diventa meno densa e quindi il suo peso per unità di superficie diminuisce, ed essa tende a spostarsi verso l’alto; con il freddo accade l’opposto.

- Il vapore acqueo = la pressione diminuisce con l’aumentare del vapore acqueo presente nell’aria: a parità di temperatura, un dato volume di esso pesa meno di un ugual volume di aria secca (con un rapporto di circa 3/5).

Lo studio della distribuzione della pressione atmosferica sulla superficie terrestre si esegue segnando sulle carte geografiche le isobare, linee che uniscono i punti di ugual pressione ridotta al livello del mare, alla temperatura di =°C e alla gravità normale.

Le isobare delimitano zone dove la pressione è più alta da altre: le prime vengono dette aree anticicloniche o anticicloni e sono quelle nelle quali l’aria, relativamente più densa e quindi più pesante, tende a spostarsi verso il basso e a divergere con moto vorticoso verso le circostanti zone di bassa pressione; le seconde sono dette aree cicloniche o cicloni e sono quelle in cui l’aria, meno densa, si sposta verso l’alto e converge vorticosamente al centro.

GRADIENTE BARICO ORIZZONTALE = rapporto tra la differenza di pressione esistente fra due punti e la distanza che li separa, misurata perpendicolarmente alle isobare. L’unità di misura adottata per esprimere il gradiente barico orizzontale è 1mb/111km (cioè la differenza in millibar per ogni grado di meridiano di distanza).

Le differenze nella distribuzione orizzontale della pressione causano trasferimenti d’aria che tendono a ristabilire l’equilibri barico, esplicando anche l’importante funzione di trasporto del calore, i movimenti d’aria che avvengono parallelamente alla superficie terrestre, dalle zone anticicloniche alle zone cicloniche, sono i venti; la loro misura si misura con gli anemometri.

BREZZE DI MARE E DI TERRA = sistemi di venti dovuti al diverso comportamento termico delle acque marine e delle terre, e agli “squilibri barici” che ne derivano; essi spirano alternativamente dal mare verso la terra nelle ore diurne e dalla terra verso il mare in quelle notturne. Sono particolarmente attive nella zona intertropicale durante tutto l’anno, ma si avvertono spesso anche nelle regioni temperate durante l’estate.

BREZZE DI VALLE E BREZZE DI MONTE = spirano rispettivamente dal basso verso l’alto nelle ore diurne e dalle cime montuose al fondo valle in quelle notturne;

MONSONI = venti periodici che soffiano dal mare verso il continente nel semestre estivo, apportando piogge abbondanti, e dal continente verso il mare nel semestre invernale; presentano velocità di 35-70 Km/h e interessano la troposfera fino ad altezze di 2000-6000 m. Si presentano nell’Oceano Indiano e nell’Asia meridionale.

Circolazione atmosferica

I lineamenti essenziali della circolazione nella bassa troposfera si possono indicare nell’esistenza, sia a nord che a sud dell’Equatore, di tre distinti sistemi di venti che prendono origine da zone di differente pressione.

Alle basse latitudini la velocità lineare di rotazione della Terra è maggiore di quella dei moti dell’aria, che perciò tendono ad assumere direzione prevalente da Est verso Ovest: si hanno così due zone di venti orientali : gli alisei. Verso l’Equatore si ha una zona di basse pressioni equatoriali.

Intorno ai 30° di latitudine Nord e Sud, l’aria si muove con la stessa velocità della Terra e vi regnano due zone simmetriche di alte pressioni subtropicali, dalle quali le masse d’aria divergono tanto verso l’Equatore (originando gli alisei) che verso le medie latitudini.

Nelle zone comprese tra i 35° ed i 35° di latitudine, sia nell’emisfero boreale che in quello australe, l’aria si muove più velocemente della Terra, determinando venti da Ovest: in queste regioni soffiano i venti occidentali, che muovono dalle alte pressioni subtropicali verso le zone di basse pressioni subpolari, situate intorno ai 60° di latitudine Nord e Sud.

Alle latitudini estreme si hanno i venti orientali polari, che provengono dalle zone di alte pressioni polari circostanti ai due poli e sono diretti originariamente verso le basse pressioni subpolari: anche essi vengono deviati dalla rotazione della Terra, oltre ad essere modificati nel loro percorso dall’attrito con la superficie terrestre.

Nella circolazione nell’alta troposfera la velocità dei venti tende ad aumentare con l’altezza. Inoltre si invertono le condizioni bariche: già intorno ai 5000 m di altitudine la pressione sulla zona equatoriale è più alta che sulle calotte polari, per cui si generano flussi d’aria diretti dall’Equatore verso i poli; la rotazione terrestre devia questi flussi trasformandoli in venti che seguono i paralleli da Ovest verso Est.

Sopra i 3000-5000 m di quota scorrono venti occidentali con velocità crescenti verso l’alto e verso le medie latitudini raggiungendo i 300-500 km/h (correnti a getto). Le due larghe fasce di queste correnti occidentali sono separate da una ristretta zona intertropicale di correnti orientali, che rappresentano il riflesso ad alta quota degli alisei.

Le correnti a getto presentano variazioni stagionali in latitudine, altitudine e velocità. In ciascun emisfero, durante l’inverno l’asse del getto si sposta verso l’Equatore e verso l’alto, raggiungendo le velocità massime; in estate e nell’emisfero opposto avviene il contrario. La velocità assiale aumenta in corrispondenza delle zone di passaggio tra continenti ed oceani, per i contrasti termici ivi esistenti.

Si hanno anche oscillazioni cicliche per correnti a getto, che si compiono in periodi più brevi (una settimana o poco più), con formazione di onde orizzontali molto ampie (migliaia di km), le quali tendono ad accentuarsi, fino a staccarsi dal flusso principale: ne derivano immissioni di masse di aria calda tropicale verso le alte latitudini e di aria fredda polare verso le basse latitudini.

In sostanza, le teorie moderne sulla circolazione dell’atmosfera sostengono che i principali fenomeni che si svolgono dal suolo ai limiti della troposfera dipendono dalla posizione in latitudine, dalla velocità e dall’ampiezza delle ondulazioni delle correnti zonali: il sistema di venti della fascia intertropicale sarebbe un fenomeno secondario e non la causa della circolazione generale. Secondo questa teoria, gli alisei sono correnti orientali zonali che, a contatto del suolo, subiscono una torsione a causa dell’attrito; difatti, sopra i 700-800 m essi spirano da Est verso Ovest e più in alto, intorno agli 8-9 km, scompaiono per lasciare il posto ai venti occidentali, che soffiano ad ogni latitudine fino a quote superiori alla tropopausa. A queste cause dinamiche si sovrappongono però sempre i fattori termici, che presso la superficie terrestre accentuano la loro influenza e alterano le correnti zonali.

LE PRECIPITAZIONI

Umidità e precipitazioni

L’umidità assoluta è la “quantità di vapore acqueo (espressa in grammi) contenuta nell’unità di volume di aria (1m3) in un dato momento e in un determinato punto dell’atmosfera”. Essa varia innanzitutto con la temperatura, e quindi con la latitudine, per cui diminuisce dalle regioni equatoriali (media 20-25 g/m3) a quelle polari (1-2 g/m3); ma tende anche a diminuire con il procedere verso l’interno dei continenti, specie quando in essa regna un regime di alte pressioni. Inoltre l’umidità assoluta decresce rapidamente con l’altitudine.

L’aria non può contenere una quantità illimitata di vapore acqueo; arrivata ad un certo punto, essa ne diviene satura. Il limite di saturazione varia però con la temperatura: maggiore è la temperatura, più vapore può essere contenuto in un dato volume d’aria (per esempio, a 10°C sono sufficienti 9 g di vapore per saturare 1 m3 di aria, mentre a 25°C ne occorrono 23 g).

L’umidità relativa è il “rapporto tra la quantità di vapore acqueo effettivamente presente in un dato volume di aria e la massima quantità che potrebbe esservi contenuta alla medesima temperatura”.

L’U.R. viene misurata con gli igrometri e si esprime in percentuale: per l’aria satura l’U.R. è del 100%. Tende a variare in senso inverso alla temperatura: a partire dalla zona equatoriale, dove si registrano i valori maggiori, l’U.R. diminuisce nelle zone e nei periodi più caldi e aumenta nelle zone e nei periodi più freddi. Essa tende a diminuire pure con l’altitudine, ma molto irregolarmente. Valori particolarmente bassi sono stati riscontrati nei deserti tropicali con venti tropicali (U.R. 10-15%); notevolmente elevati sono quelli delle regioni costiere boreali durante l’inverno (U.R. 85-90%).

Quando l’aria è satura di vapore acqueo, ogni eventuale eccesso di vapore deve essere eliminato. Ciò avviene mediante la condensazione oppure direttamente la sublimazione, quando la temperatura è molto bassa.

La manifestazione di questi processi consiste nella formazione di goccioline liquide, del diametro di circa 1/100 di millimetro, che si formano preferibilmente intorno a “nuclei di condensazione” (particelle minutissime di cloruro di sodio, acido solforico, polveri di carbone, ceneri, ioni carichi di elettricità ecc) e che rimangono sospese nell’aria; assieme a cristallini esagonali o aghetti di ghiaccio, che si formano a temperature inferiori a 0°C, esse costituiscono le nebbie e le nubi. Quando le goccioline di acqua o le particelle di ghiaccio, raggiungono dimensioni tali da non poter più essere sostenute dall’aria, hanno luogo le precipitazioni. Queste però, non sono originate da tutti i tipi di nubi, ma solo da quelle a notevole spessore verticale, che hanno la base a quote non molto elevate; in particolare da certe “nubi miste”, come i nembostrati (che danno precipitazioni regolari), i cumulonembi (piovaschi e acquazzoni) e dai nembi (manifestazioni temporalesche).

TEMPO (atmosferico) = il complesso delle condizioni fisiche che caratterizzano l’atmosfera in un dato momento e in un determinato luogo.

Cicloni e perturbazioni

Il tempo atmosferico non cambia in maniera disordinata, ma anzi è possibile riconoscerne alcuni “tipi” che si ripetono più o meno con le stesse modalità; essi sono regolati da quei “centri di azione dell’atmosfera” ch sono le aree di alta e bassa pressione, ovvero gli anticicloni e i cicloni.

I cicloni temporanei danno luogo a forti venti e a moti ascendenti dell’aria con conseguente raffreddamento, formazione di nubi, precipitazioni e temporali; pertanto, essi vengono considerati come perturbazioni delle condizioni meteorologiche.

Secondo le teorie moderne, le più importanti perturbazioni atmosferiche posso essere distinte in:

- cicloni tropicali (o delle basse latitudini);

- cicloni extratropicali (o delle medie latitudini).

Le maggiori perturbazioni atmosferiche che interessano le regioni della Terra poste alle basse latitudini sono connesse a depressioni bariche molto pronunciate, le quali hanno origine in prossimità dell’Equatore, prevalentemente sui settori orientali degli oceani, dove l’aria è molto calda e umida e gli alisei dei due emisferi vengono a contatto diretto fra loro o si incontrano con la corrente occidentale equatoriale. Poi, secondo un’accreditata ipotesi, i venti di provenienza opposta e l’elevata temperatura producono forti moti ascendenti e rotatori dell’aria, facendo nascere un vortice del diametro di poche decine di kilometri, che poi si allarga progressivamente fino a raggiungere il massimo di 600-1000 km. Il sollevamento dell’aria umida provoca la condensazione del vapore acqueo e quindi la liberazione di grandi quantità di calore latente; l’energia che ne deriva è enorme e i venti assumono velocità elevatissima, spesso superiore ai 200 km/h.

Queste perturbazioni costituiscono i cicloni tropicali; hanno una durata che può arrivare a due o tre settimane e si spostano con relativa lentezza (25-35 km/h) dalla zona di formazione, muovendo da Est verso Ovest e deviando gradualmente (a causa della rotazione terrestre) verso NW nel nostro emisfero e verso SW nell’emisfero australe. Esse si presentano in determinate stagioni, senza apparente regolarità; si sviluppano solo sul mare e si estinguono rapidamente al loro ingresso sulla terraferma, dopo aver provocato mareggiate violentissime e danni imponenti.

I cicloni che interessano le zone della Terra poste alle medie latitudini sono molto meno violenti, ma più estesi (diametro di 1500-3000 km) e più diffusi di quelli tropicali; ad essi è legato l’andamento generale del tempo nelle nostre regioni. La loro formazione è dovuta all’incontro, a bassa quota, tra masse d’aria calda di provenienza tropicale e masse d’aria fredda di provenienza polare; ma la loro origine ed il loro sviluppo sono quasi certamente connessi con perturbazioni che si verificano nell’alta troposfera e si propagano verso gli strati atmosferici più bassi.

Nel linguaggio meteorologico, per massa d’aria si intende una porzione d’aria estesa orizzontalmente per qualche migliaio di kilometri, nell’ambito della quale non si registrano nette differenze di temperatura e umidità.

le principali masse d’aria si originano nelle zone anticicloniche subtropicali e polari, dove la circolazione è molto lenta e l’aria ha il tempo di assumere uniformemente le caratteristiche della superficie sottostante. Perciò possono essere distinte in masse d’aria tropicali (calde) e masse d’aria polari (fredde). Quando si allontanano dal luogo di origine, esse vengono modificate dalla superficie su cui scorrono, per cui si possono ulteriormente suddividere in marittime (umide) e continentali (asciutte).

Per comprendere il comportamento dei cicloni extratropicali, bisogna considerare che nel momento in cui una massa d’aria tropicale e una polare vengono a contatto, le loro caratteristiche si mantengono inalterate ed esse restano separate da una zona di discontinuità, dello spessore di qualche kilometro, la superficie frontale o fronte. La massa d’ari a più fredda, e quindi più densa, tende ad incunearsi sotto la più calda. Lungo la superficie frontale si forma dapprima una lieve ondulazione verso il polo, che da origine ad un centro di bassa pressione; successivamente questa ondulazione si accentua e l’aria fredda solleva sempre più in alto l’aria calda. Si crea così una corrente d’aria calda che – per la rotazione terrestre - assume un moto vorticoso in senso antiorario nell’emisfero boreale e in senso orario in quello australe; Poi l’aria calda viene separata dal suolo la velocità del vortice diminuisce, la depressione si colma e si estingue. Il meccanismo comprende diversi stadi, ciascuno dei quali presenta caratteristici sistemi nuvolosi e diversa intensità delle precipitazioni e dei venti.

Queste depressioni non si presentano isolate, ma in famiglie di quattro o cinque, con una vita media di 6-7 giorni. Esse si spostano da Ovest verso Est, sotto l’impulso dei venti occidentali, ad una velocità media di 40-50 km/h, pari a un migliaio di km al giorno; per questo, e per le loro notevoli dimensioni, sono chiamate “grandi perturbazioni migratorie”. Poiché il fronte verso il quale convergono l’aria calda di origine tropicale e l’aria fredda di origine polare, detto fronte polare, nel nostro emisfero si sposta verso Nord in estate e verso Sud in inverno (il contrario nell’emisfero australe), con lo spostarsi delle zone anticicloniche e cicloniche permanenti e stagionali, ne deriva anche la traiettoria dei cicloni extratropicali oscilla in latitudine durante l’anno. Ciò spiega la maggior frequenza di perturbazioni atmosferiche che noi abbiamo in inverno anziché in estate.