Appunti di meteorologia generale

L'atmosfera è caotica. Il modello matematico, per funzionare, deve avere una condizione iniziale; nel nostro caso - previsione meteorologica - significa conoscere lo stato iniziale dell'atmosfera (temperatura, ad esempio), a partire dalla quale si applica il modello e si ha la previsione.

Si è visto in passato che una piccola variazione nel dare le condizioni iniziali (troncare i decimali al 3° o 4° termine, ad esempio) e quindi le informazioni, porta ad un risultato molto diverso; questo è dovuto al caos atmosferico. Si usano oggi tecniche di perturbazione delle condizioni iniziali, registrando i diversi risultati ottenuti; da questi poi, mediante le leggi della probabilità e della statistica, si fa la previsione più probabile.

Meteorologia e climatologia

La meteorologia e la climatologia sono strettamente legate tra loro ma hanno una precisa differenza: la prima spiega i fenomeni meteorologici come il vento, l'umidità, il caldo, ecc. e studia l'atmosfera in un arco di tempo breve e in un immediato futuro (previsioni); la seconda, fenomeni atmosferici e l'atmosfera stessa ma nel passato più remoto. Nel passato non si può studiare l'atmosfera - come si fa in meteorologia - come un sistema meccanico a se stante ma si studia il cosiddetto sistema climatico terrestre, che è costituito dall'interazione di 5 componenti: atmosfera, idrosfera, geosfera, criosfera (ghiacci) e biosfera.

Se parliamo di clima, parliamo di temperatura. La temperatura varia negli anni: nel passato la Terra ha avuto due oscillazioni in temperatura e la temperatura attuale non è molto diversa da quella che è stata 100000 o 300000 anni fa. Se poi focalizziamo la nostra attenzione ad un arco di tempo più breve, gli ultimi 100000 anni, vediamo ulteriori oscillazioni, molto più complesse (nell'arco di 5°C) e così sempre di più considerando periodi più brevi (300-400 anni). Dietro ogni oscillazione c'è un forzamento fisico: ci sono, ad esempio, oscillazioni dovute al cambiamento di stagione, segnale stagionale, dovute all'escursione termica giorno-notte, segnale giornaliero. Un modo per individuare le oscillazioni è l'analisi di Fourier (strumento matematico per individuare le componenti di un segnale):

 Facendo l'analisi di Fourier dell'ultimo segnale, senza sapere le componenti, possiamo poi rappresentare i risultati nello spettro di energia (vedi figura 2). Nel periodo da 0 a 24 h il segnale non ha energia, poi per T=24 ha un'oscillazione dovuta all'escursione termica giorno-notte e poi per T=365 abbiamo un'altra compnente , dovuta al segnale stagionale. Questo è un segnale semplice, composto da sole 2 frequenze. Ogni segnale, teoricamente, è scomponibile in infinite componenti di frequenze diverse (armoniche).

Alcune definizioni:

PSICROMETRO: strumento che misura l'umidità.

CORRENTOMETRO: strumento che misura la corrente marina (dove va)

ANEMOMETRO: strumento che misura il vento (da dove proviene).

TIDAL= marea.

Le maree possono essere diurne, semidiurne e miste. Studiare la periodicità dei fenomeni è importante per fare previsioni. Se consideriamo l'atmosfera e costruiamo uno spettro di Fourier della temperatura al suolo possiamo individuare delle frequenze fondamentali. Le cause dei picchi realtivi ad 1 anno ed ad 1 giorno sono astronomiche (rotazione della Terra e forma dell'orbita), mentre quelle relative a variazioni di 3-4 giorni sono atmosferiche (mesoscala - arco di un mese).

Errore di aliasing

Se campioniamo il segnale, cioè se effettuiamo delle misure di temperatura, con una frequenza di 30 ore commettiamo un grosso errore e otteniamo, infatti, un segnale diverso. Ciò accade perché ho usato un passo di campionamento non adatto al periodo del segnale. In questo modo ricostruiamo un altro segnale, che ha un periodo più lungo del segnale di partenza. Ho commesso un errore nello scegliere la frequenza di campionamento; questo errore introduce delle basse frequenze che non ci sono nel segnale reale, perdendo così molte informazioni legate alle alte frequenze: si ha un'informazione distorta.

L'atmosfera

La suddivisione dell'atmosfera è fatta in base alla temperatura.

TROPOSFERA: zona dove la temperatura diminuisce linearmente. Il gradiente di temperatura (G) è 6.5°C/km ed è detto gradiente ambientale.

TROPOPAUSA: la temperatura rimane più o meno costante intorno ai -50°C.

Poi la temperatura aumenta, salendo, fino a 50 km, rispetto alla temperatura al suolo. La troposfera è uno strato sottilissimo (15 km dal suolo) che avvolge la Terra, ma molto importante, perché in essa avvengono tutti i fenomeni meteorologici che ci interessano.

La troposfera è spessa circa 10 km ma questo spessore può variare, essendo composta da gas, da un minimo di circa 8 km, ai poli, dove la temperatura è bassa ed i gas si comprimono, ad un massimo di circa 15 km all'equatore, dove la temperatura è alta ed i gas si espandono.

La stratosfera (fascia dell'atmosfera che è caratterizzata da strati) arriva fino a circa 50 km di altitudine. Fino alla tropopausa la pressione è elevata (circa 200 hPa): è qui che sta tutto il peso, mentre salendo fino all'ultima fascia, l'atmosfera si presenta molto rarefatta, essendo la pressione bassa.

Proprietà chimiche e fisiche dell'atmosfera

SW RADATION: radiazione solare che colpisce la Terra

LW RADIATION: radiazione emessa dalla Terra.

A lungo termine queste due forme di energia si devono bilanciare.

FS: flusso solare, cioè radiazione emessa dal Sole.

Ogni corpo emette radiazioni elettromagnetiche e la radiazione emessa - secondo la legge di Stefan-Boltzman - è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta del corpo:

dove sigma rappresenta la costante di Boltzman. Ciò vale per i corpi neri, cioè quei corpi che assorbono il 100% della radiazione che li colpisce e la riemettono sottoforma di radiazione ad onda lunga. Se consideriamo la radiazione solare (Sw radiation) questa colpisce la Terra e viene assorbita da essa; la Terra si riscalda e reirradia energia in ogni direzione (LW radiation). Per sapere quanta energia solare colpisce la Terra, dobbiamo considerare un disco che abbia lo stesso diametro terrestre. Parte di questa radiazione viene riflessa: ogni corpo ha un potere riflettente, detto albedo (A), che dipende dalla caratteristica dello stesso; per la Terra, A=0.3; per un corpo nero, A=0 (assorbe tutto). Se A=1, riflessione totale. Nel fare il bilancio terrestre, devo quindi sottrarre, all'energia che arriva dal Sole (e che colpisce la Terra), F_S, la parte di energia riflessa per albedo (F_SApa², a=raggio della Terra).

F_S=1372 W/m2 (flusso solare)

F_Spa² - F_SApa²=(1-A)F_Spa²

quindi, energia fornita dal Sole = (1-A)F_Spa². L'energia fornita deve essere uguale a quella assorbita (bilancio energetico); perciò calcoliamo, tramite la legge di Stefan-Boltzman, l'energia assorbita ed eguagliamo:

vale per 1 m² (dobbiamo moltiplicare per la superficie terrestre)

(1)	Ea = 4pa2sT4
(2)	(1-A)FSpa2 = 4pa2sT4
(3)	(1-A)FS = 4sT4
(4)

Abbiamo trovato la temperatura della Terra e sostituendo i valori: T_e=255 K = -18°C ! E' un risultato impossibile perché c'è un errore concettuale. L'errore consiste nel non aver considerato la fascia di atmosfera che circonda la Terra, fascia che trattiene l'energia emessa dalla Terra, riscaldandola: cioè abbiamo trascurato l'effetto serra.

Composizione chimica della troposfera

Nella tabella si vede la percentuale dei vari componenti chimici e si vede che il 99% della troposfera è costituita da azoto e ossigeno (N2, O2). Il vapore acqueo (H2O) è variabile, <0.03, perché si può avere aria più secca o più umida (in dipendenza da fattori vari). I costituenti abbondanti sono anche, in buona parte, costanti nell'atmosfera. Altri costituenti, meno abbondanti, sono invece caratterizzati da una concentrazione non costante nel tempo; ad esempio, la CO2, anidride carbonica, sta aumentando in maniera continua dal 1958 ad oggi (tabella 1.12). L'aspetto importante di ciò è che la CO2 è uno di quei gas detti "gas serra" che intrappolano le radiazioni emesse dalla Terra, riscaldandola ulteriormente.

Radiazione solare e radiazione terrestre hanno due lunghezze d'onda diverse. La legge che regola l'emissione della lunghezza d'onda in ogni corpo è detta legge di Wien:

la lunghezza d'onda dovuta all'energia massima è proporzionale all'inverso della temperatura assoluta.

Il Sole e la Terra hanno temperature diverse:

Se guardiamo lo spettro di emissione della radiazione elettromagnetica per il Sole e la Terra, si vede che il Sole emette energia massima ad una lunghezza d'onda pari a circa 0.7 mm, mentre la Terra emette massima energia a circa 15 mm. La banda del visibile si ha per 

0.5 <= l <= 1 mm

La radiazione solare è visibile.

Nel grafico (b) si vede invece la percentuale di assorbimento dell'energia al variare della lunghezza d'onda e al variare dei componenti chimici. Al livello del suolo (ground level) c'è un assorbimento del 100%, dovuto alla presenza di gas (O₂, O₃) dell'atmosfera, che produce una sorta di schermo riflettente l'energia emessa dalla Terra. L'ozono, O₃, che sta nella stratosfera svolge un'azione riflettente i raggi ultravioletti (dannosi per l'uomo) provenienti dal Sole; mentre l'ozono presente nella troposfera contribuisce all'effetto serra, come gli altri gas che la compongono. Si nota inoltre, dal grafico, che a basse frequenze, c'è un forte assorbimento dell'ultravioletto, mentre ad alte frequenze, dell'infrarosso. Infine, nella banda del visibile, c'è un basso assorbimento. Quindi la Terra si riscalda assorbendo energia sottoforma di radiazioni ad onda corta (alta frequenza) e riemette energia sottoforma di radiazioni ad onda lunga (infrarosso).

Il motore termico della Terra

Se il 100% dell'energia solare penetra nell'atmosfera: 

Questa pagina è stata realizzata da Vittorio Villasmunta

Ultimo aggiornamento: 06/01/15