Meteorologia

METROLOGIA

Ci servono degli strumenti per calcolare le misure e le stime. Usiamo la METROLOGIA:

disciplina che si occupa delle misure e delle grandezze fisiche (anche biologiche).

3 aspetti:

-​ unità di misura (accenno al dinamismo e novità)

-​ strumenti (ogni variabile meteorologica ha il suo strumento e procedure)

-​ incertezza (elementi di statistica, utilizzo migliore degli strumenti)

MISURA: procedimento che esprime una situazione attraverso un numero (MISURA) che rappresenta rapporto tra

grandezza che stiamo misurando con un’unità omogenea (della stessa specie) scelta come unità di misura.

Quante volte più grande o più piccolo in nostro valore è in confronto all’unità di misura.

Informazione numerica composta da:

-​ numero

-​ unità di misura

-​ errore/incertezza (quando misura complessa)(+ grande = meno affidabile)

UNA MISURA NON è MAI CERTA IN ASSOLUTO (valore vero è ignoto)

ESSENZIALE è l’unità di misura, in passato se ne sono sviluppati tantissimi. Pensiamo in agricoltura (ogni provincia

aveva unità diverse)(campo padovano diverso da campo vicentino)

Vari deputati alla standardizzazione della misura: BIPM, NIST, ISO, iNRiM.

SISTEMA INTERNAZIONALE

sistema quasi universalmente adottato, ci sono comunque delle eccezioni (sistema anglosassone)-Birmania e

Liberia sono completamente diverse

Italia ha legiferato in merito al sistema internazionale, poi adottato nel nostro paese.

CARATTERISTICHE

-​ omogeneo (sistema limitato di grandezze con molte derivate)

-​ coerente (prodotto o prodotto di grandezze principali crea altre grandezze derivate senza usare coefficienti di

correzione)

-​ assoluto (non cambia nello spazio e nel tempo, come accade nel sistema anglosassone)

-​ decimale (multipli e sottomultipli si basano su potenze di 10)

Combinazione di 1 o più di queste = grandezze derivate.

Abbreviazioni sono in minuscolo tranne quelle che si riferiscono a

grandi studiosi (Ampere, Newton…)

Chiunque deve poter riprodurre le unità di misura e farle in casa.

Esiste per esempio a Parigi un incisione sul muso per la lunghezza

del metro. Chiunque poteva andare là e comparare la propria

stecca con l’incisione per una corretta misura.

Fino a pochi anni fa ci basavamo ancora su campioni metrici fisici (kg era campione di Platino-Iridio, conservato a

Parigi a pressione e temperatura costante, da poter replicare)

Nel 2018 è stato sancito che tutte le unità di misura

fondamentali si possano calibrare attraverso delle

procedure, nelle quali vengono implicate delle costanti

fondamentali (numeri invarianti e teorici).

Esplicata molto dettagliatamente ogni procedura per

confermare le misure standard.

A volte si usano multipli e sottomultipli perché molte misure non possono essere espresse con l’unità fondamentale.

NOTAZIONE ESPONENZIALE: strumento importante per non rendere ambigue le misure.

Sistema delle grandezze è un sistema aperto perché creano continuamente nuove grandezze derivate. Alcune

hanno un nome particolare, dedicato o all’inventore o alla fisica di quella grandezza.

FREQUENZA-Hz (Hertz-scienziato Tedesco)

Altre grandezze derivate NON hanno un nome speciale e altre non sono comprese nel sistema internazionale

(massa in tonnellate-dovremmo usare i megagrammi)

(pressione in Bar-dovrebbe essere in Pa)

Sono coefficienti non sempre decimali.

Altre NON SONO AMMESSE (caloria, cavallo, millimetro di mercurio…)

ERRORI

Ogni misura è affetta da un grado di incertezza, l’errore non è concepito come uno sbaglio (sbaglio di procedura) ma

è un’incertezza che deriva dalla misura o dallo strumento.

Errore è lo scostamento dal valore presunto della grandezza, chè è ignoto.

CAUSE:

-​ Il campionamento-il campione in analisi non rappresenta l’insieme di oggetti che noi analizziamo nella vita

reale.

-​ strumentale

ERRORE ACCIDENTALE: non sono facilmente identificabili, sono dovuti a diversi punti di vista dell’osservatore,

motivi CASUALI. Non sono prevedibili.

Si possono combattere con la RIPETIZIONE e calcolando la MEDIA. Associamo a quel valore medio l’indice di

variabilità.

ERRORE SISTEMATICO: causa precisa, si può identificare con facilità. Molto spesso è colpa dello strumento.

Si risolve CALIBRANDO gli strumenti, ma bisogna prevenirli, non fare sul momento. Non sappiamo se lo strumento

farà un errore, ma lo sottoponiamo comunque a calibrazione.

STRUMENTI

Ogni strumento da un Output, un segnale che indica il valore/la misura rilevata. Viene espresso il rapporto

attraverso un grafico cartesiano.

ORDINATA: grandezza misurata

ASCISSA: grandezza che vogliamo misurare

RANGE: intervallo di misura

In uno strumento ideale è un rapporto rettilineo (visualizziamo

una retta).

Purtroppo molti strumenti non hanno risposta lineare.

Tutti gli strumenti hanno CARATTERISTICHE METROLOGICHE (appena si comprano ci sono nel foglio illustrativo):

-​ ACCURATEZZA capacità di avvicinarsi al valore reale

-​ PRECISIONE capacità di generare una serie di misure molto vicine tra loro (ripetitività dello strumento)

-​ LINEARITà (in relazione con il grafico cartesiano) o meglio la NON LINEARITà, che indica il discostamento

della curva dall’andamento rettilineo ideale.

-​ SENSIBILITÀ: rapporto tra la variazione di variabile in output e quella in input. In uno strumento lineare è un

rapporto costante (coefficiente angolare della retta). Maggiore è la pendenza della retta migliore è lo strumento

(piccole variazioni in input equivalgono a grandi variazioni in output.

In uno strumento NON lineare la sensibilità cambia man mano che si misura (immaginiamo nel grafico di prima,

come se fosse la misura del vento. Con un vento lento la sensibilità è alta, con un vento più veloce la sensibilità è

bassa)

-​ ISTERESI: fenomeno che genera output diversi in base a se la grandezza misurata stia aumentando o

diminuendo. 2 curve diverse (valori crescenti e valori decrescenti). In uno strumento ideale NON c’è errore di

isteresi (scostamento delle due linee). Quando si legge l'output non sappiamo su quale curva ci si sta

muovendo (questo genera l’errore di ISTERESI)

-​ SOGLIA valore massimo rilevabile dallo strumento

-​ PORTATA valore minimo rilevabile

-​ RISOLUZIONE più piccolo incremento o variazione della grandezza

rilevabile dallo strumento

-​ PRONTEZZA tempo di risposta (visto che le grandezze

meteorologiche cambiano spesso e velocemente la prontezza è una

caratteristica essenziale).

Tempo necessario affinché lo strumento si mette in equilibrio con la

grandezza da misurare (90% della misura).

-​ DERIVA quando a parità di input che si mantiene nel tempo non da la

stessa risposta in output perchè uno strumento si rovina (scostamento

rispetto ai valori normali di calibrazione)

CALIBRAZIONE

Per prevenire errori sistematici. Attività fatta regolarmente.

Tutte le attività per il monitoraggio atmosferico hanno una squadra che si assicura di mantenere calibrati tutti gli

strumenti, oppure si possono fare presso laboratori specializzati o anche in casa.

Per ogni tipo di strumento c’è un periodo di calibrazione diverso, alcuni infatti non sono soggetti a tanta variazione

nel tempo. Alcuni invece ogni 6 mesi.

ATMOSFERA

è fatta di aria ma quando ci riferiamo all’atmosfera ci riferiamo alle sue caratteristiche fisiche.

Corpo vasto e vario fatto di gas che circonda la parte solida della Terra.

ARIA: composizione chimica di gas che compongono l’atmosfera

La massa dell’atmosfera è di circa 5 miliardi di miliardi di Kg (10^18) (tutto teorico,non è

possibile pesarla)

L’atmosfera che conosciamo oggi non è uguale a quella di milioni di anni fa. Era composta

da H, He, CH4, NH3. Poi attività sulla terrà hanno modificato la sua composizione.

-​ Vulcani_hanno fatto evaporare acqua dagli oceani, ha portato CO2 nei mari

sciogliendo le rocce sedimentarie e ha portato anche N2.

-​ Vegetali_aumento O2

Attuale composizione (simile a 400 milioni di anni fa)

-​ molecole di moto continuo, casuale (verticale e orizzontale) in CONTINUO

RIMESCOLAMENTO

CARATTERISTICHE ATMOSFERA STANDARD

Aviatori (ICAO) si sono interessati in primo luogo per capire le dinamiche dell’atmosfera e

quando si può volare in sicurezza.

-​ pressione(forza peso che viene esercitata dalla colonna d’aria su una certa

superficie) [Pa][kPa]

-​ temperatura al livello del mare [K] (se non ci fosse atmosfera e effetto serra sarebbe

molto più bassa)

-​ umidità (assenza di condensazione ed evaporazione, eventi che hanno significato

energetico)

-​ densità al livello del mare

-​ gradiente barico verticale

-​ gradiente termico verticale uniforme

L’atmosfera è composta da vari strati, ognuno con caratteristiche precise e diverse tra i vari

livelli.

1.​ TROPOSFERA (<15km) - è quello strato a contatto con il suolo nel quale avvengono

le idrometeore (fenomeni derivati dalla condensazione dell’acqua) e le grandi

turbolenze. ⅔ della massa dell’atmosfera si trova nei primi 10km e il 90/95% della

massa invece entro i 20km.

Qui la temperatura dell’aria si abbassa mediamente di 6,5K al km (secondo il

gradiente termico verticale)

-​ TROPOPAUSA - strato di transizione che ha inizio quando il gradiente termico

verticale arriva a -2K km^-1. L’altitudine di questo strato varia in base alla stagione,

alla latitudine e all’andamento meteorico, in media però abbiamo delle altezze

indicative: Esistono gradienti termici standard e gradienti

termici NON standard che rendono le condizioni

atmosferiche poco stabili. Alcuni esempi di

quest’ultimo sono: INVERSIONE TERMICA

dove strati di aria calda sovrastano strati di aria

fredda intrappolandola al suolo e impedendo i

moti verticali. Questo favorisce l’accumulo di

smog nello strato sottostante creando nebbie e

alterando l’indice di rifrazione dell’aria;

ISOTERMIA, ovvero condizioni in cui la

temperatura rimane costante man mano che ci si

alza di quota, quindi il gradiente è nullo. Spesso

si forma in assenza di flusso verticale e può

causare il rallentamento dei processi di

trasformazione.

2.​ STRATOSFERA (15/50km) - strato compreso tra

tropopausa e stratopausa. La densità diminuisce, per questo

in questo strato gli aerei non potrebbero viaggiare, a meno

che non si tratti di quelli ad altissima velocità. La temperatura

è costante per alcuni km a circa 220K. Ai 20km comincia a

salire molto lentamente, ai 30km aumenta la velocità con un

gradiente termico di +5K km^-1 fino a raggiungere un valore

massimo di circa 290/300K

3.​ MESOSFERA (50/80 km) - si trova tra la stratopausa e

la mesopausa, in questo strato avviene la rarefazione degli

elementi gassosi (diminuisce la loro densità). La temperatura

torna alla normale diminuzione secondo il gradiente termico

verticale negativo fino ad arrivare ad una temperatura di

200K.

4.​ TERMOSFERA (80/120 km) - sopra la mesopausa. Le

particelle di gas sono prossime alla velocità di fuga (velocità minima che una

particella deve raggiungere per scappare alla forza gravitazionale della terra). La

temperatura torna a salire con un gradiente termico verticale positivo

Dopo la termosfera si arriva al limite estremo dell’atmosfera, zona in cui la velocità di moto delle

molecole supera la velocità di fuga dell’orbita terrestre (vincono la forza di gravità). La densità di

particelle diminuisce, si arriva al quantitativo di 600 protoni e 600 neutroni in 1 cm^3 (al suolo ci sono

2,5*10^19 molecole per cm^3)

COMPOSIZIONE DELL’ARIA SECCA (PARTE FISSA)

DENSITà DELL’ARIA

TEMPERATURA VIRTUALE: è la temperatura che l’aria secca deve avere per avere la stessa

densità dell’aria umida a pressione costante. Serve per capire la stabilità atmosferica e il movimento

delle masse d’aria in meteorologia. Principalmente per fenomeni come precipitazioni.

TEMPERATURA POTENZIALE: è una grandezza meteorologica che indica la temperatura che una

massa d’aria raggiungerebbe se venisse portata adiabaticamente (senza scambi di calore con

l’ambiente esterno) ad una pressione standard. Permette di valutare la stabilità termica e studiare i

moti verticali. Fondamentale per prevedere fenomeni atmosferici come temporali.

PROPRIETà DELL’ARIA SECCA

COMPOSIZIONE DELL’ARIA (PARTE VARIABILE) Questi sono solo alcuni degli elementi che si

possono trovare in atmosfera in quantità

variabile.

L’acqua è presente in atmosfera in tutte le sue

forme fisiche (liquido/ gas / solido). Questo è

dovuto a tutte le sue caratteristiche fisiche di

interazione tra atomi che la compongono e

vere molecole di acqua.

La maggior parte è presente sotto forma di

vapore acqueo, quindi nel suo stato fisico.

Questi diagrammi rappresentano la distribuizione dell’acqua

nelle diverse forme in cui è presente in atmosfera.

Questi qua sopra invece sono delle rappresentazioni di profilo

verticale di contenuto di vapore nell’aria (analogo al profilo

termico verticale, con gradiente termico verticale).

Questi due diagrammi rappresentano due situazioni diverse in momenti diversi dell’anno. Le scale

sono in semilogaritmica, in ascissa è una scala logaritmica che differisce dalla base 10 invece in

ordinata c’è una scala lineare. La concentrazione di vapore è espressa in parti per milione. è

concentrato negli strati bassi dell'atmosfera, poi man mano diminuisce fino a stabilizzarsi da un certo

punto in poi.

Un altro gas che merita attenzione da parte nostra è l’OZONO. Ne avevamo già parlato parlando

della stratosfera menzionando che il gradiente termico verticale ad un certo punto si inverte. Infatti

man mano che ci si allontana dalla superficie terrestre l’aria non subisce più il riscaldamento della

terra e dovrebbe raffreddarsi, ma nella stratosfera la temperatura aumenta. Questo fenomeno è

determinato dalla reazione di Chapman (determinata dall’azione della radiazione ultravioletta

sull’ossigeno). L’energia dei quanti di radiazione è inversamente

proporzionale ai quanti di energia che trasportano. Le

ultraviolette sono a bassa lunghezza d’onda quindi

trasportano molta energia. Influiscono molto sul mpndo

biologico.

Scinde l’ossigeno molecolare creando 2 molecole di ossigeno reattivo che può reagire con l’ossigeno

molecolare creando molecole di ozono (O3). L’ozono non ha un legame stabile, quindi si creerà una

molecola di ossigeno reattivo che reagirà ancora.Questa è una reazione esotermica, quindi scalda

l’atmosfera.

Questo strato ha molti moti ascendenti e discendenti, quindi si scalda una grande area.

Va a scaldare uno strato di ozono, protettivo nei nostri confronti perché fa da filtro per la radiazione

ultravioletta.

L'ozono stratosferico è un ottimo elemento per noi ma negli ultimi anni si sta parlando di

assottigliamento dello strato di ozono (buco nell’ozono) che ci mette a rischio.

In particolare sopra all’antartide si sta assottigliando molto e si sta attenuando la capacità di filtro.

Questi grafici rappresentano l’andamento

della concentrazione dell’ozono nelle varie

fasce dell’atmosfera. Vediamo come

raggiunge il suo picco a circa 25 km, quindi

in piena stratosfera.

Il secondo grafico rappresenta l’andamento

della temperatura. Notiamo infatti come

avviene l’inversione termica che corrisponde

perfettamente ad un aumento di

concentrazione di ozono.

Purtroppo l’ozono si forma anche in troposfera, la nostra sfera. Per una serie di motivi legati alla

presenza di alcuni catalizzatori della bassa atmosfera (inquinanti atmosferici) e la radiazione

ultravioletta che riesce a passare lo strato protettore della stratosfera viene sintetizzato ozono anche

in troposfera.

L’ozono è un gas tossico per tutti gli esseri viventi, infatti i governi hanno legiferato in materia per

proteggere la nostra salute. Hanno stabilito dei limiti nel 2010, in italia. Individuano delle soglie di

informazione (una soglia di che va monitorata per un0ora). Si sono anche fissati un

obiettivo a lungo termine per ridurre il valore medio calcolato su 8 ore.

Questi sono i monitoraggi fatte su tutte

le stazioni di monitoraggio in Veneto dal

2002. C’è un’effettiva riduzione della

concentrazione ma molte di queste

stazioni non rivelano mai un

abbassamento costante sotto la soglia

prefissata.

I prossimi grafici invece indicano le zone dove si sono verificati dei superamenti della soglia limite e di

quanto in base al colore del pallino (rosso=molto; aranciato=abbastanza…)

Ovviamente nelle aree

urbane sono quelle che

emettono di più perchè

passano macchine, ci sono

fabbriche e case con il

riscaldamento acceso…

Sulle piante l’ozono crea delle necrosi, riducendo la capacità fotosintetica.

Altro componente dell’aria sono gli AEROSOL.

Sotto questa categoria ricadono molte sostanze: andiamo dai contaminanti biologici, polveri,

particolato o molecole gassose. Molto diversi tra loro per caratteristiche e soprattutto per dimensioni,

sempre seguendo una scala logaritmica. In questa cartina vediamo come

sono distribuiti i vari aerosol.

Notiamo come la maggior

concentrazione si stanzia sopra

ai deserti, infatti parliamo di

polveri o materiali di quelle

dimensioni.

In aree marine prevalgono le

componenti saline, in foreste

prevalgono materiali biologici, e

così via.

Hanno un'influenza sul c