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Fenomeni meteorologici e biomolecole · Atmosfera e fenomeni meteorologici

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.

Gli strati dell'atmosfera con la quota e l'andamento della temperatura 0 km 11 km 50 km 85 km 500 km troposfera stratosfera (ozono) mesosfera termosfera esosfera temperatura: curva arancione (quote non in scala)
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.

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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.

  1. a) In quale strato avvengono la maggior parte dei fenomeni meteorologici?
  2. b) In quale strato si trova lo strato di ozono che assorbe la radiazione ultravioletta?
  3. c) Come varia la temperatura con la quota nella troposfera?
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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.

  1. a) Calcola la temperatura a $11\ \text{km}$ nel primo sondaggio se al suolo è di $15\ ^\circ\text{C}$.
  2. b) Spiega perché l'inversione termica rende l'aria stabile e favorisce l'accumulo di inquinanti e la nebbia nella Pianura Padana.
  3. c) Spiega perché alla tropopausa il gradiente termico cambia e in quale strato la temperatura riprende ad aumentare e per quale motivo.
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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 diminuisce con la quota in modo non lineare quota pressione (cresce verso destra) curva reale (blu) stima lineare (arancione)
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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 $1\ \text{atm}$.

  1. a) Esprimi questo valore in pascal.
  2. b) Spiega perché la pressione diminuisce salendo di quota.
  3. c) Come si chiama lo strumento che misura la pressione atmosferica?
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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.

  1. a) Stima la pressione a Sestriere, a $2.035\ \text{m}$ di quota.
  2. b) Calcola la percentuale di diminuzione rispetto al livello del mare.
  3. c) Spiega perché la diminuzione reale non è lineare con la quota.
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Anticicloni, cicloni e vento

Sulle carte meteorologiche le isobare sono le linee che uniscono i punti con la stessa pressione al livello del mare.

  • 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.

  • 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.

Rotazione del vento attorno a un anticiclone (oraria) e a un ciclone (antioraria) nell'emisfero boreale A B anticiclone: senso orario ciclone: senso antiorario
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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 $995\ \text{hPa}$.

  1. a) Quale delle due è un'area anticiclonica e quale ciclonica (depressione)?
  2. b) In quale delle due ti aspetti tempo stabile e sereno? Perché?
  3. c) Come si chiamano le linee che uniscono i punti di uguale pressione?
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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.

  1. a) In quale direzione (destra o sinistra rispetto al moto) viene deviato il vento nell'emisfero boreale?
  2. b) Descrivi il senso di rotazione del vento attorno a un ciclone e attorno a un anticiclone nell'emisfero boreale.
  3. c) Perché a livello dell'equatore la forza di Coriolis è nulla?
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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.

Brezza di mare diurna: aria che sale sulla terra e vento dal mare verso la costa terra mare flusso in quota brezza

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.

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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.

  1. 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.
  2. b) Cosa accade di notte? Descrivi la brezza di terra.
  3. c) Perché l'acqua si scalda più lentamente del suolo? Cita la grandezza fisica coinvolta.
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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.

  1. a) Spiega perché il vento geostrofico soffia parallelo alle isobare e non perpendicolarmente.
  2. b) Spiega perché vicino al suolo, per effetto dell'attrito, il vento si inclina verso la bassa pressione.
  3. 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.
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La circolazione generale

L'equatore riceve più energia solare dei poli. L'atmosfera ridistribuisce il calore con tre celle per emisfero.

  • 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).

  • Cella di Ferrel (30°–60°): cella intermedia, con i venti occidentali.

  • 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.

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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.

  1. a) Descrivi la cella di Hadley e spiega perché a circa $30^\circ$ di latitudine si trovano le alte pressioni subtropicali.
  2. b) Collega questa fascia alla presenza dei grandi deserti (per esempio il Sahara).
  3. c) Spiega come lo spostamento stagionale della fascia anticiclonica delle Azzorre influenza il clima mediterraneo, con estati secche e inverni piovosi.
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In sintesi

  • 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.

  • La pressione media al mare è $1.013\ \text{hPa} = 101.300\ \text{Pa}$ e diminuisce con la quota, non linearmente.

  • Anticiclone: alta pressione, aria che scende, tempo sereno (senso orario a nord). Ciclone: bassa pressione, aria che sale, nuvole (antiorario).

  • 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.

  • Le brezze nascono dal diverso calore specifico di terra e acqua.

  • 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.

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