Dispensa n.6

In questa dispensa studieremo il significato delle inversioni termiche e le correlazioni intercorrenti tra temperatura e movimento orizzontale delle masse d'aria. Per gli approfondimenti bisognerà fare riferimento al corso avanzato di meteorologia (in preparazione).

Gradiente termico verticale.

Nelle precedenti lezioni abbiamo visto che in un diagramma cartesiano, in cui in ascissa abbiamo posto la temperatura e in ordinata l'altezza rispetto al livello del mare, l'andamento della temperatura stessa nella troposfera è decrescente.

Questa diminuzione cessa in un punto che abbiamo definito tropopausa. Questa diminuzione con la quota rappresenta l'andamento normale della temperatura.

Abbiamo anche visto che la temperatura al suolo è condizionata da diversi fattori, tra cui l'inclinazione della superficie rispetto ai raggi del Sole. Vi sono punti della Terra che ricevono un maggior contributo di calore dai raggi solari, e altri che ne ricevono in minor misura, in relazione alla loro latitudine.

Infatti i raggi solari giungono maggiormente inclinati in prossimità dei poli terrestri, mentre all'equatore i raggi solari giungono diretti.

Per avere un'idea concreta, immaginate un fascio di raggi solari.

Su una superficie perpendicolare essi risultano concentrati. Se lo stesso fascio colpisce una superficie inclinata, i raggi risulteranno dispersi su una superficie più ampia, per cui il contributo di calore su ogni singolo punto colpito sarà minore.

Un altro fattore importante è rappresentato dalla capacità termica dei diversi corpi: terra, roccia, acqua, terreno erboso, sabbia, ecc. ognuno di questi materiali si comporta differentemente rispetto all'energia ricevuta dal Sole.

Sostanzialmente terra e acqua possiedono una diversa capacità termica. Se immaginiamo una superficie, per metà costituita da terra e per metà costituita da acqua, noteremo che benchè colpiti dalla medesima quantità di energia solare, il calore viene incamerato con modalità differenti. La terra si riscalda molto rapidamente. Dal sorgere del Sole, la temperatura delle superfici rocciose subisce un'impennata. Analogamente avviene con il tramonto. La roccia si raffredda con la stessa rapidità con cui era avvenuto il riscaldamento. Invece il mare ha un andamento molto meno brusco, poichè la sua capacità termica è differente. Esso, infatti, si riscalda molto lentamente sotto l'incalzare dei raggi solari, e conseguentemente cede molto lentamente il calore incamerato.

Da questo diverso comportamento rispetto al calore, deriva un diverso riscaldamento delle masse d'aria che giacciono su ciascuna di quelle superfici, poichè, come abbiamo già detto, il riscaldamento dell'atmosfera avviene soprattutto dal basso.

La variazione di temperatura con la quota prende il nome di gradiente termico verticale. Il valore (medio) è stato fissato in 0,65 gradi per ogni 100 metri di elevazione (oppure 2 gradi ogni 1000 piedi).

Un aereo in decollo troverà man mano che si alza, temperature più alte o più basse?

Normalmente, per quanto visto, incontrerà via via temperature più basse.

Un altro fattore che entra in gioco nel riscaldamento delle superfici terrestri è costituito dalla copertura nuvolosa del cielo. Quale relazione intercorre tra condizioni del cielo e temperatura?

Se durante le ore di sole, la terra ha incamerato energia, innalzando quindi la propria temperatura, con l'avvento del tramonto perderà la sua fonte di riscaldamento e comincerà a raffreddarsi, poichè irraggerà verso l'alto più energia di quanto ne stia ricevendo (il bilancio termico diventa negativo, perde più energia di quanto ne riceva). Se il cielo è sereno, tutta l'energia irradiata dal suolo si disperde, determinando un forte raffreddamento del suolo stesso. Se invece il cielo è molto nuvoloso o coperto, una parte dell'energia irradiata verso l'alto sarà riflessa verso il suolo, che pertanto si raffredderà molto meno.

Fissati questi aspetti fondamentali, possiamo considerare il concetto di inversione termica.

Le inversioni termiche.

L'inversione termica rappresenta un andamento anomalo della temperatura con la quota. Normalmente la temperatura dovrebbe decrescere. Si verifica talvolta, che invece di diminuire, la temperatura aumenta. Siamo di fronte ad una inversione termica.

Quali tipi di inversione possiamo avere?

Possiamo distinguere due tipi di inversione:

L'inversione termica al suolo.

L'inversione al suolo si verifica quando, partendo dalla superficie terrestre, la temperatura anzichè diminuire, aumenta.

Fino ad una certa quota, in cui tale fenomeno cessa e la temperatura riprende a comportarsi normalmente. Questa quota prende il nome di margine superiore dell'inversione.

Quali sono le cause che generano l'inversione?

Una delle cause va ricercata nel rapido raffreddamento notturno degli strati atmosferici più vicini al suolo, che perde calore con la stessa velocità con cui lo ha acquistato durante il giorno (irraggiamento notturno). Per questo motivo, l'aria vicina al suolo, risentendo del raffreddamento del suolo, finisce per essere più fredda di quella posta negli strati superiori. Con cielo sereno ed assenza di vento, la possibilità che si verifichi, di notte, una inversione diventa molto elevata, poichè l'assenza di nubi contribuisce alla dispersione del calore verso lo spazio. Sapete come si può osservare una inversione? Innanzitutto, è più facile osservarla sul mare o sulla terraferma?

Se abbiamo legato il fenomeno dell'inversione al rapido raffreddamento della superficie su cui sosta l'aria, il luogo deputato a rapide variazioni di temperatura non può essere il mare, dove le variazioni di temperatura esistono ma sono molto lente e graduali. Quindi, l'inversione, il più delle volte, si verifica sulla terraferma. Tornati con i piedi per terra, tutte le volte che osservando fumi emessi dai fumaioli di fabbriche, vediamo che questo fumo anzichè fluire verso l'alto, ha un andamento molto inclinato e sembra quasi bloccarsi ad una determinata quota.

Siamo in presenza di una inversione, e la quota a cui il fumo sembra fermarsi rappresenta il margine superiore dell'inversione.

In condizioni normali, il fumo fluirebbe quasi verticalmente in assenza di vento, o, comunque, tenderebbe a disperdersi verso l'alto.

Inversione in quota.

L'inversione in quota è caratterizzata da una variazione del normale andamento della temperatura che si verifica ad una quota intermedia della troposfera.

Partendo dal suolo, la temperatura comincia a decrescere con il suo solito andamento. Giunti ad una determinata altezza, si verifica l'anomalia: la temperatura, improvvisamente, comincia ad aumentare, dando inizio all'inversione termica in quota. Questa quota dove inizia il fenomeno, si chiama margine inferiore dell'inversione.

La causa dell'inversione, in questo caso, è da ricercarsi nel riscaldamento specifico di quello strato d'aria (dovuta, ad esempio, alla subsidenza, ovvero alla discesa di aria da quote superiori che si riscalda per compressione).

Primi cenni ai fronti atmosferici.

In questo paragrafo accenneremo brevemente ai fronti atmosferici, che invece costituiranno argomento del prossimo anno di studi (vedi corso avanzato di meteorologia).

Sulle carte del tempo, i fronti si identificano con linee colorate di blu o di rosso o di viola, e stanno ad indicare il contatto al suolo tra masse d'aria con caratteristiche termiche differenti.

Sulle linee blu vi sono dei triangolini con la punta rivolta nel verso del movimento della massa d'aria, e rappresentano il fronte più avanzato di una massa d'aria fredda (fronte freddo).

Sulle linee rosse appaiono dei semicerchi, anch'essi rivolti nella direzione di movimento della massa d'aria, e rappresentano il fronte più avanzato di una massa d'aria calda (fronte caldo).

Le linee viola stanno ad indicare i cosiddetti fronti occlusi, che possiedono caratteristiche sia del fronte freddo che del fronte caldo (dalla cui fusione si può dire esse nascono). Tale caratteristica è ben rappresentata graficamente, in quanto su queste linee si alternano semicerchi e triangolini.

Riassumendo:

Linee rosse = semicerchi = fronte caldo

Linee blu = triangolini = fronte freddo

Linee viola = semicerchi + triangolini = fronte occluso.

L'afflusso di aria fredda, indicato col fronte freddo, scalza l'aria calda che le sta davanti e invade la regione su cui si sta spostando.

Le temperature registrate al suolo possono darci indicazioni utili sul sopraggiungere dell'aria fredda, in quanto subiranno una flessione più o meno marcata.

Ovviamente non si possono fare previsioni soltanto osservando l'andamento delle temperature. Tuttavia si possono fare delle considerazioni fondamentali.

Abbiamo più volte ricordate che l'aria calda è meno densa dell'aria fredda. Questo significa sostanzialmente che l'aria più è calda più è leggera. L'aria fredda è più densa e perciò è più pesante dell'aria calda.

Abbiamo anche visto che, se non vi fosse uno scambio termico fra i Poli e l'Equatore, i Poli si raffredderebbero sempre più e l'Equatore si surriscalderebbe. Il meccanismo che innesta lo scambio di calore è il diverso riscaldamento delle masse d'aria che giacciono su quelle regioni della Terra.

Sulle fasce equatoriali, l'aria si riscalda molto, quindi diventa più leggera e tende a sollevarsi verso l'alto.

Sui Poli l'aria diventa molto fredda e densa. Quindi, diventando più pesante, tende ad addensarsi verso il basso.

Questo diverso comportamento verticale dell'aria pone le basi per la creazione di ampie zone di alta e bassa pressione. Sui Poli, a causa della spinta dell'aria verso il basso, si creeranno aree di alta pressione, sull'Equatore, per il motivo opposto, cioè per la spinta dell'aria verso l'alto, si formeranno delle aree di bassa pressione.

Sulle carte del tempo, le aree di bassa pressione si indicano con una lettera L (low) di colore rosso, disegnata in corrispondenza del minimo di pressione. L'alta pressione si indica con la lettera H (high) di colore blu.

Se sull'Equatore si creano zone caratterizzate da pressione più bassa, e sui Poli si formano aree di alta pressione, che meccanismo potrebbe ingenerarsi? Cosa accade in natura, generalmente, quando vi è un dislivello?

Se avvicino un corpo caldo ad un corpo freddo, i due corpi tenderanno ad assumere la stessa temperatura, poichè il calore posseduto in più da uno viene ceduto all'altro, finchè non si raggiunge un equilibrio termico fra i due corpi.

Se prendiamo due contenitori comunicanti tra loro per mezzo di un tubicino posto alla base, e riempio uno di essi d'acqua, immediatamente anche nell'altro contenitore affluirà l'acqua attraverso il tubicino, e il movimento dell'acqua cesserà quando i due contenitori avranno raggiunto esattamente lo stesso livello d'acqua.

Lo stesso si verifica nell'atmosfera quando si crea una differenza di pressione tra due aree. L'aria si metterà in movimento per colmare il dislivello, e precisamente il movimento si compirà dalle aree di alta pressione (dove c'è "più" aria), verso quelle di bassa pressione (dove c'è, in quel momento, "meno" aria).

Come potete osservare, differenze di temperatura si sono tradotte in differenze di pressione, tali da generare un meccanismo globale di compensazione.

In piccolo, questo meccanismo prende il nome di brezza, ovvero la brezza identifica il vento che si forma localmente per differenze termiche generate dal diverso riscaldamento di superfici vicine tra loro.

D'estate sulle coste, tutti possiamo osservare l'insorgere (a volte quasi cronometrico) di un vento leggero proveniente dal mare: è la cosiddetta brezza di mare.

Ancora una volta siamo di fronte ad un meccanismo di compensazione generato da un dislivello termico. Dal momento in cui sorge il Sole, la terra prende a riscaldarsi sempre più rapidamente, mentre il mare lo fa molto gradualmente.

L'aria a contatto con il suolo, pertanto, si riscalda anch'essa molto rapidamente per contatto, diventando quindi più leggera.

Sollevandosi, innesca il meccanismo della brezza, poichè al suolo viene richiamata l'aria più fresca giacente sul mare. Questo movimento dell'aria dal mare verso la terra prende il nome di brezza di mare.

In quota, invece, accade esattamente il contrario. L'aria che abbandona il mare verso la terra richiama aria dagli strati superiori, ove si crea pertanto una depressione che finisce per richiamare a sua volta aria dalle zone circostanti e soprattutto dalla zona dove l'aria calda, sollevandosi, sta affluendo in maggior quantità. Si innesca un meccanismo detto convezione, ovvero una cellula in cui l'aria segue un movimento circolare.

Riassumendo, in questa lezione abbiamo visto:

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