Struttura dell'atmosfera, pressione e venti
Una mattina d'estate a Rimini la sabbia scotta già alle dieci, mentre il mare è ancora fresco. Nel pomeriggio, però, dal mare comincia a soffiare un venticello piacevole. Chi muove l'aria? E perché sul passo del Sestriere il tappo di una bottiglia di acqua chiusa a valle si gonfia? La risposta è nella struttura dell'atmosfera e nella pressione: le seguiamo passo passo.
Gli strati dell'atmosfera
L'atmosfera è l'involucro gassoso della Terra (circa 78% azoto, 21% ossigeno). Non è uniforme: si divide in strati in base a come cambia la temperatura con la quota.
| Strato | Quota | Temperatura con la quota |
|---|---|---|
| Troposfera | 0–11 km (circa) | diminuisce |
| Stratosfera | 11–50 km | aumenta (ozono) |
| Mesosfera | 50–85 km | diminuisce |
| Termosfera | 85–500 km | aumenta molto |
| Esosfera | oltre | passaggio allo spazio |
Nella troposfera la temperatura scende di circa $6{,}5\ ^\circ\text{C}$ ogni $1.000\ \text{m}$ (gradiente termico verticale): l'aria è scaldata dal basso, dalla superficie che assorbe la radiazione solare. Qui c'è quasi tutta la massa dell'atmosfera e tutto il vapore acqueo, quindi qui avvengono nuvole, piogge e venti. Il limite superiore è la tropopausa, dove la temperatura smette di calare.
Nella stratosfera si trova lo strato di ozono, che assorbe la radiazione ultravioletta e scalda l'aria: per questo la temperatura risale con la quota.
L'atmosfera terrestre è suddivisa in strati con caratteristiche diverse: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera. a) In quale strato avvengono la…
L'atmosfera terrestre è suddivisa in strati con caratteristiche diverse: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera.
- a) In quale strato avvengono la maggior parte dei fenomeni meteorologici?
- b) In quale strato si trova lo strato di ozono che assorbe la radiazione ultravioletta?
- c) Come varia la temperatura con la quota nella troposfera?
Un tecnico dell'Aeronautica Militare confronta due sondaggi: in uno la temperatura diminuisce regolarmente di $6{,}5\ ^\circ\text{C}$ ogni $1.000\ \text{m}$ fino a…
Un tecnico dell'Aeronautica Militare confronta due sondaggi: in uno la temperatura diminuisce regolarmente di $6{,}5\ ^\circ\text{C}$ ogni $1.000\ \text{m}$ fino a $11\ \text{km}$; nell'altro, tra $200$ e $500\ \text{m}$, la temperatura aumenta con la quota (inversione termica) in una pianura padana invernale.
- a) Calcola la temperatura a $11\ \text{km}$ nel primo sondaggio se al suolo è di $15\ ^\circ\text{C}$.
- b) Spiega perché l'inversione termica rende l'aria stabile e favorisce l'accumulo di inquinanti e la nebbia nella Pianura Padana.
- c) Spiega perché alla tropopausa il gradiente termico cambia e in quale strato la temperatura riprende ad aumentare e per quale motivo.
La pressione atmosferica
L'aria ha massa, quindi pesa. La pressione atmosferica è il peso della colonna d'aria che sta sopra una superficie, diviso per quella superficie. Si misura con il barometro.
Valore medio al livello del mare: $1.013\ \text{hPa} = 1\ \text{atm}$. Poiché $1\ \text{hPa} = 100\ \text{Pa}$:
$$1.013\ \text{hPa} = 101.300\ \text{Pa}$$Salendo di quota la colonna d'aria sopra di noi è più corta e l'aria è meno densa, quindi la pressione diminuisce. Non lo fa linearmente: gli strati bassi sono compressi dal peso di quelli sopra e sono più densi, perciò all'inizio la pressione cala in fretta (circa $1\ \text{hPa}$ ogni $8\ \text{m}$), poi sempre più lentamente.
La pressione atmosferica media al livello del mare vale $1.013\ \text{hPa}$, pari a $1\ \text{atm}$. a) Esprimi questo valore in pascal. b) Spiega perché la pressione…
La pressione atmosferica media al livello del mare vale $1.013\ \text{hPa}$, pari a $1\ \text{atm}$.
- a) Esprimi questo valore in pascal.
- b) Spiega perché la pressione diminuisce salendo di quota.
- c) Come si chiama lo strumento che misura la pressione atmosferica?
In una località sul livello del mare la pressione è $1.013\ \text{hPa}$. Si assume che nei primi chilometri la pressione diminuisca in media di circa $1\ \text{hPa}$…
In una località sul livello del mare la pressione è $1.013\ \text{hPa}$. Si assume che nei primi chilometri la pressione diminuisca in media di circa $1\ \text{hPa}$ ogni $8\ \text{m}$ di quota.
- a) Stima la pressione a Sestriere, a $2.035\ \text{m}$ di quota.
- b) Calcola la percentuale di diminuzione rispetto al livello del mare.
- c) Spiega perché la diminuzione reale non è lineare con la quota.
Anticicloni, cicloni e vento
Sulle carte meteorologiche le isobare sono le linee che uniscono i punti con la stessa pressione al livello del mare.
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Anticiclone (alta pressione, $p > 1.013\ \text{hPa}$, per esempio $1.028\ \text{hPa}$): l'aria scende (subsidenza), si riscalda, il vapore non condensa. Tempo stabile e sereno.
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Ciclone o depressione (bassa pressione, per esempio $995\ \text{hPa}$): l'aria sale, si raffredda, il vapore condensa. Nuvole e precipitazioni.
Il vento è aria in movimento orizzontale dalle alte alle basse pressioni. La differenza di pressione per unità di distanza è il gradiente barico: più le isobare sono ravvicinate, più il vento è forte.
La forza di Coriolis
La Terra ruota, quindi un'aria in moto appare deviata: a destra del moto nell'emisfero boreale, a sinistra in quello australe. La deviazione è proporzionale al seno della latitudine: all'equatore è nulla (latitudine $0^\circ$), massima ai poli.
Nell'emisfero boreale ne risulta che attorno a un anticiclone il vento ruota in senso orario, attorno a un ciclone in senso antiorario.
Su una carta meteorologica dell'Italia centrale compaiono un'area con pressione al suolo di $1.028\ \text{hPa}$ e un'altra con $995\ \text{hPa}$. a) Quale delle due è…
Su una carta meteorologica dell'Italia centrale compaiono un'area con pressione al suolo di $1.028\ \text{hPa}$ e un'altra con $995\ \text{hPa}$.
- a) Quale delle due è un'area anticiclonica e quale ciclonica (depressione)?
- b) In quale delle due ti aspetti tempo stabile e sereno? Perché?
- c) Come si chiamano le linee che uniscono i punti di uguale pressione?
Nell'emisfero boreale il vento tende a spostarsi dalle alte alle basse pressioni, ma viene deviato dalla forza di Coriolis. a) In quale direzione (destra o sinistra…
Nell'emisfero boreale il vento tende a spostarsi dalle alte alle basse pressioni, ma viene deviato dalla forza di Coriolis.
- a) In quale direzione (destra o sinistra rispetto al moto) viene deviato il vento nell'emisfero boreale?
- b) Descrivi il senso di rotazione del vento attorno a un ciclone e attorno a un anticiclone nell'emisfero boreale.
- c) Perché a livello dell'equatore la forza di Coriolis è nulla?
Venti locali e vento geostrofico
Brezze
Il suolo ha un calore specifico più basso dell'acqua: a parità di calore ricevuto si scalda (e si raffredda) più in fretta. L'acqua inoltre si mescola in profondità.
Di giorno, a Rimini, la terra è più calda: l'aria sopra sale e al suolo si forma una bassa pressione. L'aria più fresca del mare si sposta verso terra: brezza di mare (dal mare alla terra). In quota il flusso ritorna verso il mare, chiudendo la cella.
Di notte la terra si raffredda più del mare: la bassa pressione è sul mare e il vento soffia dalla terra verso il mare: brezza di terra.
La figura mostra la brezza con la terra a sinistra e il mare a destra.
Vento geostrofico e attrito
In quota l'attrito è trascurabile. L'aria, spinta dal gradiente barico verso la bassa pressione, viene deviata da Coriolis finché le due forze si bilanciano: il vento soffia allora parallelo alle isobare. È il vento geostrofico.
Vicino al suolo l'attrito rallenta l'aria, quindi Coriolis (proporzionale alla velocità) si indebolisce e il gradiente prevale: il vento si inclina verso la bassa pressione. In una depressione le masse d'aria al suolo convergono verso il centro, ruotando in senso antiorario, e salgono: raffreddamento, condensazione, nuvole e pioggia. Nell'anticiclone al suolo l'aria diverge e dall'alto scende aria: tempo sereno.
In una giornata estiva a Rimini la temperatura della sabbia sale molto più rapidamente di quella del mare. a) Spiega la formazione della brezza di mare durante il…
In una giornata estiva a Rimini la temperatura della sabbia sale molto più rapidamente di quella del mare.
- a) Spiega la formazione della brezza di mare durante il giorno, indicando dove si forma l'area di bassa pressione e in che direzione soffia il vento al suolo.
- b) Cosa accade di notte? Descrivi la brezza di terra.
- c) Perché l'acqua si scalda più lentamente del suolo? Cita la grandezza fisica coinvolta.
Il gradiente barico orizzontale e la forza di Coriolis determinano il vento geostrofico in quota, dove l'attrito è trascurabile. a) Spiega perché il vento geostrofico…
Il gradiente barico orizzontale e la forza di Coriolis determinano il vento geostrofico in quota, dove l'attrito è trascurabile.
- a) Spiega perché il vento geostrofico soffia parallelo alle isobare e non perpendicolarmente.
- b) Spiega perché vicino al suolo, per effetto dell'attrito, il vento si inclina verso la bassa pressione.
- c) Deduci come si spostano le masse d'aria in prossimità del suolo in una depressione e quali movimenti verticali ne conseguono, con le relative conseguenze sul tempo.
La circolazione generale
L'equatore riceve più energia solare dei poli. L'atmosfera ridistribuisce il calore con tre celle per emisfero.
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Cella di Hadley (0°–30°): all'equatore l'aria calda e umida sale (bassa pressione equatoriale, piogge intense), in quota si sposta verso i poli, a circa $30^\circ$ di latitudine scende, secca e riscaldata per compressione: alte pressioni subtropicali. Al suolo ritorna verso l'equatore (alisei).
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Cella di Ferrel (30°–60°): cella intermedia, con i venti occidentali.
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Cella polare (60°–90°): aria fredda che scende ai poli e si sposta verso sud.
Dove l'aria scende il tempo è asciutto: a $30^\circ$ si trovano i grandi deserti, come il Sahara.
L'anticiclone delle Azzorre fa parte di questa fascia. In estate si sposta verso nord e si estende sul Mediterraneo: estati calde e secche. In inverno scende a sud e lascia spazio alle perturbazioni atlantiche, che portano piogge: inverni miti e piovosi.
Le celle di circolazione generale dell'atmosfera (Hadley, Ferrel, polare) determinano le fasce di alta e bassa pressione sul pianeta. a) Descrivi la cella di Hadley e…
Le celle di circolazione generale dell'atmosfera (Hadley, Ferrel, polare) determinano le fasce di alta e bassa pressione sul pianeta.
- a) Descrivi la cella di Hadley e spiega perché a circa $30^\circ$ di latitudine si trovano le alte pressioni subtropicali.
- b) Collega questa fascia alla presenza dei grandi deserti (per esempio il Sahara).
- c) Spiega come lo spostamento stagionale della fascia anticiclonica delle Azzorre influenza il clima mediterraneo, con estati secche e inverni piovosi.
In sintesi
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L'atmosfera ha cinque strati; nella troposfera la temperatura cala di circa $6{,}5\ ^\circ\text{C}$ ogni $1.000\ \text{m}$ e avvengono i fenomeni meteorologici; l'ozono è nella stratosfera.
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La pressione media al mare è $1.013\ \text{hPa} = 101.300\ \text{Pa}$ e diminuisce con la quota, non linearmente.
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Anticiclone: alta pressione, aria che scende, tempo sereno (senso orario a nord). Ciclone: bassa pressione, aria che sale, nuvole (antiorario).
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Il vento nasce dal gradiente barico ed è deviato da Coriolis (a destra a nord, nulla all'equatore); in quota è geostrofico, al suolo l'attrito lo inclina verso la bassa pressione.
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Le brezze nascono dal diverso calore specifico di terra e acqua.
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Le celle di Hadley, Ferrel e polare spiegano le fasce di pressione, i deserti e il clima mediterraneo.
Vuelve al principio: la brezza di Rimini nasce dalla differenza di temperatura tra sabbia e mare, e il tappo gonfio al Sestriere dipende dalla pressione più bassa in quota.