Appunti di meteorologia dinamica

(figure a cura di Vittorio Villasmunta)

IPOTESI GEOSTROFICA: approssimazione per cui una massa d'aria che si muove è soggetta a due forze ed il bilancio delle due forze è dato unicamente da FG e FCo.

Tutti i fenomeni che studiamo avvengono nella troposfera, che è di dimensioni piccole rispetto al raggio terrestre, RT, e quindi rispetto alla circonferenza della Terra.

Buona parte dei movimenti dell'aria avvengono quindi orizzontalmente (in verticale può arrivare a muoversi per 15 km, in orizzontale per migliaia di km). I grandi movimenti orizzontali caratterizzano perciò la dinamica della troposfera.

Moto dell'aria in un riferimento orizzontale: Oxy.

Osserviamo i movimenti della scala sinottica (in maniera contemporanea rispetto all'evoluzione del fenomeno) che definisce una scala di movimenti, caratterizzati da:

V=10 m/s Velocità orizzontale V (u,v)
w = 1 cm/s Velocità verticale U (u,v,w)
L=106 m Dimensioni orizzontali tipiche del fenomeno  
H = 104 m Dimensioni verticali tipiche del fenomeno  

Per questa scala sinottica vale l'approssimazione geostrofica; in un campo di pressione su una superficie orizzontale, fig.2, andiamo a misurare la pressione in tanti punti e segniamo il valore ottenuto. Ovviamente si valuta la p solo in alcuni punti e poi, dopo aver tracciato le isobare (approssimativamente), si procede per interpolazione.

La pressione orizzontale non è costante, ma c'è un gradiente di pressione, G, diretto nel senso in cui aumenta la pressione e perpendicolare alle isobare (direzione di massima variazione di p).

Una massa d'aria immersa in questo campo barico, sarà soggetta ad una forza gradiente di pressione, FG, diretta in senso opposto a G: la particella tenderà ad andare nel verso della bassa pressione.

Però non appena la massa d'aria inizia a muoversi, agisce anche la forza di Coriolis, FCo, che per questa classe di moti non è trascurabile, ma anzi molto importante.

La Terra è un sistema non inerziale, che ha un'accelerazione, dovuta alla rotazione del pianeta stesso, che genera delle forze apparenti. Di queste forze bisogna tenerne conto quando c'è un moto.

Emisfero nord sposta a destra rispetto alla direzione di marcia
Emisfero sud sposta a sinistra rispetto alla direzione di marcia

Nei moti atmosferici, soprattutto quelli lontani dallo strato limite planetario (500/1000 m), dove si risente molto degli attriti, la FCo agisce in maniera rilevante.

Massa ferma:  V=0:  FCo =0

FCo = 2W*V (FCo massima ai poli, =0 all'equatore)

Non appena V diverso da 0, esiste FCo che fa ruotare il vettore V in senso orario, essendo FCo normale a V. Ad un certo punto sarà FCo = -FG e poi FCo normale a V. A quel punto la rotazione si arresta perché FCo e FG si bilanciano perfettamente e la V non viene più modificata in direzione: V parallela alle isobare con l'alta pressione a destra (emisfero nord).

Possiamo quindi trascurare gli effetti degli attriti e, definito il campo barico, il vento geostrofico è diretto parallelamente alle isobare e con le alte pressioni a destra e inoltre l'intensità delle isobare ci dà l'idea dell'intensità del vento.

Determinata la direzione delle isobare si determina univocamente la direzione di VG. Più sono fitte le isobare, più è grande il gradiente di pressione: il gradiente di pressione è quello che innesca il moto, per cui maggiore è tale gradiente maggiore sarà il VG (quindi la velocità della massa d'aria sarà maggiore). Il modo delle isobare di disporsi nello spazio ci dà, quindi un'idea dell'intensità del vento geostrofico, cioè della sua velocità, VG

Lo scirocco e l'acqua alta a Venezia.

A causa del campo barico i venti provengono da sud-est (dalla Siria) e sono quindi caldi: è lo scirocco. Il movimento verso NW del vento, fa sì che anche l'acqua, nel nord Adriatico, vada verso la laguna di Venezia; quando questo fenomeno è abbastanza duraturo nel tempo, si ha un accumulo di acqua e quindi un innalzamento del livello del mare. Questo è il fenomeno dell'acqua alta. Poiché si ha bassa pressione (e i venti soffiano verso Venezia) si ha anche il fenomeno del barometro inverso: dove c'è bassa pressione il livello del mare tende ad alzarsi di 1 cm ogni mb di pressione. Lo scirocco può portare aumenti di circa 10 cm. Se allo scirocco ed al barometro inverso si aggiunge anche la marea astronomica, si possono raggiungere livelli notevoli di acqua alta, anche fino a più di 1 m.

(3 dicembre 2002) Se ho due colonne d'aria e un livello in cui la pressione è costante:

 

se raffreddo la colonna (a) e riscaldo la colonna (b) Vg è entrante nel foglio, perché H sta a destra.

Circolazione anticiclonica.

Vg ruota in senso orario e le alte pressioni stanno al centro.

Circolazione ciclonica.

Vg ruota in senso antiorario e le basse pressioni stanno al centro.

La circolazione generale e la ciclogenesi

Il ciclone è una struttura relativa alla perturbazione. Tornando al discorso delle tre celle convettive:

 

Per questo schema concettuale, secondo il quale il movimento dell'aria è dalle basse latitudini alle alte latitudini, abbiamo individuato di conseguenza zone di alta pressione e di bassa pressione in funzione della latitudine. Noi però sappiamo anche che, quando c'è un gradiente di pressione e quindi una FG, l'aria tende a muoversi dalle alte pressioni alle basse pressioni. A causa della FCo, che devia le correnti a destra nell'emisfero nord e a sinistra nell'emisfero sud, l'aria rispetto alla direzione del moto si muove lasciandosi le alte pressioni a destra, emisfero nord, o a sinistra, emisfero sud. Cioè si vengono a creare, nella fascia da 30°N a 30°S, dei venti che vanno da est verso ovest: si chiamano gli alisei o trade wind. Quindi, mediamente, intorno ai 30°N ci sono delle alte pressioni e intorno ai 60°N ci sono delle basse pressioni. Attorno alle alte pressioni, emisfero nord, l'aria gira in senso orario, zona anticiclonica, mentre intorno alle basse pressioni gira in senso antiorario, zona ciclonica.

I venti "si battezzano" a seconda della direzione di provenienza:

da ovest verso est: occidentali

da est verso ovest: orientali.

Nelle zone equatoriali, zona di bassa pressione, ci sono frequenti piogge e una bassa salinità delle acque marine, mentre nelle zone intorno ai 30°, alte pressioni, l'aria scende, dopo aver perso l'umidità, divenendo più calda e più secca: infatti alla latitudine intorno ai 30° ci sono zone desertiche e zone di mare con alta salinità (evapora acqua). Dove c'è risalita dell'aria abbiamo bassa pressione, dove c'è discesa abbiamo bassa pressione.

Nell'ipotesi geostrofica abbiamo visto che intorno alla bassa pressione l'aria gira in senso antiorario, zona ciclonica, ma nel fare questa approssimazione abbiamo trascurato l'effetto degli attriti che è molto importante nello strato limite planetario, cioè in uno strato di atmosfera vicino al suolo e compreso tra 100 m e 1000 m. Al di sotto dei 1000 m (sopra il livello del mare) gli attriti sono importanti e perciò vediamo cosa accade in presenza di queste forze, Fa :

IPOTESI GEOSTROFICA

Vento rettilineo che lascia a destra le alte pressioni

FCo = FG

Su questo sistema agisce un'altra forza, Fa, che si oppone al moto, cioè è opposta a Vg:

FG = cost

FCo < FG

Quindi Vg diminuisce, ma essendo FCo proporzionale alla velocità, FCo = -2W*Vg, diminuisce anche FCo. Però FG rimane costante (non dipende da Vg)  e quindi non c'è più il bilanciamento tra FCo e FG. Questo produce la rotazione di V e la composizione tra  FCo e Fa trova una risultante,  FR, che bilancia  FG e il sistema trova un nuovo equilibrio: V "piega" verso le basse pressioni. E' come se l'aria si accumulasse nella bassa pressione ma, trovando pressioni sempre più basse in alto, ad un certo punto tenderà a salire verso l'alto, come una spirale, in verso antiorario (vedi lucido n.12). Al centro della bassa pressione c'è una risalita dell'aria verso gli strati alti dell'atmosfera, invece quando abbiamo un'alta pressione al centro, si ha un allontanamento dell'aria dal centro - l'aria muove in senso orario, zona anticiclonica - creando un "vuoto" nella zona di alta pressione che "risucchia" aria dagli strati alti dell'atmosfera e la porta verso il basso. lucido13.gif (97145 byte) Ecco spiegato perché alta pressione è sinonimo di bel tempo: l'aria che scende è aria che aumenta la propria stabilità, si riscalda, divenendo secca. Invece bassa pressione è sinonimo di perturbazione, perché nella risalita l'aria diminuisce la propria stabilità, aumentando l'umidità, e può divenire instabile (vedi lucido n.13).

ITCZ = Inter-Tropical Convergent Zone (zona dove convergono i venti, zona umida).

Se facciamo una sezione verticale dall'equatore al polo nord (lucido n.14): la troposfera da 18 lucido14.gif (84116 byte) km all'equatore può ridursi a 5-6 km al polo. Si vede che alla latitudine di 60°N c'è il polar front: è una zona di transizione che separa aria polare, fredda e secca, da aria subtropicale, calda e umida. Essendoci un fronte, le proprietà termiche (temperatura e umidità) dell'aria cambiano velocemente in questa zona (entro pochi gradi di latitudine): si passa da aria calda e umida ad aria fredda e secca in uno spazio molto ridotto. Questa è una zona frontale, e si trova in prossimità dei 60°N, ed è una zona che separa venti orientali, a nord, da venti occidentali, a sud: cioè si passa da venti che viaggiano in direzione opposte e quindi difficilmente l'aria si mescola.

lucido14c.gif (32530 byte)L'aria calda (vento occidentale) rimane calda e l'aria fredda (vento orientale) rimane fredda e solo nella zona evidenziata in rosso, attorno ai 60°N, si crea una zona frontale.

Nella fascia frontale (lucido n.15) slucido15.gif (162955 byte)i vede come le isoterme, linea tratteggiate, sono molto inclinate, quasi verticali essendoci un brusco cambiamento di temperatura.

Aumentando e diminuendo la temperatura T di conseguenza aumenta e diminuisce anche la pressione (a volume costante), per cui dove abbiamo forti variazioni di temperatura e isoterme inclinate avremo vento forte (il gradiente di pressione è ciò che innesca il moto dell'aria: il vento, infatti, si associa al fronte polare - dove abbiamo forti variazioni di temperatura e quindi gradiente di pressione - la presenza di venti molto forti, detti getti, che diventano più forti man mano che ci si allontana dal suolo, perché c'è meno attrito.

Dal lucido n.15 si può vedere che la massima intensità di questo vento (velocità massima) si ha, allontanandosi dal suolo, in prossimità della tropopausa e il verso del vento è entrante nel foglio a sud (nella zona 30°N-60°N i venti sono occidentali, da ovest verso est) ed è uscente a nord (nella zona 60°N-90°N i venti sono orientali).

Il Polar Jet è quindi una corrente d'aria calda e umida che va da ovest verso est ed essendo calda ed umida è associata ai corpi nuvolosi. - che si trova a latitudine di circa 60°N - ci sono zone di bassa pressione

lucido16.gif (49901 byte)Dall'alto del satellite (lucido n.16) questo polar jet gira in senso antiorario attorno al polo nord; ma sotto questa corrente d'aria - che si trova a latitudine di circa 60°N - ci sono zone di bassa pressione.

Quindi per un gradiente di temperatura e quindi per un gradiente di pressione elevato la corrente è forte e abbastanza dritta, rettilinea, mentre quando il gradiente di pressione diminuisce (gradiente termico diminuisce) la corrente rallenta e viene "sbandata" dagli attriti e da altre cause: il polar jet non lucido17.gif (352720 byte) è dunque sempre fisso sopra i 60°N di latitudine, ma oscilla - pulsa - dai 30°N ai 70°N, formando meandri, insenature, che sono la causa scatenante della ciclogenesi e quindi responsabili delle perturbazioni a medie latitudini (vedi lucido n.17). A nord di 60°N c'è aria fredda e secca che va da est verso ovest, mentre a sud di 60°N c'è aria calda ed umida che va da ovest verso est;  le due sono separate dal polar front a cui è associato il  polar jet.

(Vedi lucido n.18) Nella zona in cui il polar front crea dei "meandri" l'aria calda tende a salire (va verso nord), entrando nell'aria fredda, mentre l'aria fredda tende a scendere, entrando nell'aria calda. Cioè si crea una zona ciclonica, dove l'aria circola in senso antiorario e al centro c'è una bassa pressione (60°N zona di bassa pressione). Quindi si può definire guardando il grafico b nel lucido:

zona ABC si indica come fronte freddo, dove l'aria fredda "spinge" verso l'aria calda e si indica con un linea con triangolini rivolti nel verso del moto del fronte;

zona CDE si indica come fronte caldo, dove l'aria calda "spinge" verso l'aria fredda e si indica con una linea continua con semicerchi rivolti nel verso del moto del fronte. Dove l'aria calda e fredda non formano insenature si ha il fronte stazionario.

Il fronte freddo (più energetico) "cammina" più velocemente del fronte caldo e perciò può raggiungere il fronte caldo (ordine di giorni), creando un fronte occluso, dove aria fredda raggiunge aria calda.

Il fronte polare gira tutto intorno all'emisfero nord e quindi anche il getto polare, ad esso associato, ruota attorno  al polo nord. Nel lucido 16 è rappresentata una climatologia, cioè la posizione media del vento (dopo averla misurata in tanti gennaio). Nel lucido 17, invece, sono rappresentate le isoterme e dove si addensano si ha il lucido18.gif (36182 byte) getto polare. I meandri del fronte polare corrispondono a movimenti di aria calda e aria fredda: si crea una struttura circolante, che gira, ed essendoci sotto ai fronti una bassa pressione (siamo a 60°N), sarà prevalentemente una circolazione ciclonica.

Nel lucido 18, il punto c è un centro di bassa pressione.

Evoluzione di un ciclone

Immaginiamo di osservare il ciclone da un punto, a 30°N di latitudine, ad est di questo:

L'osservatore vede l'aria che si muove da ovest verso est, cioè vede avvicinarsi per primo il fronte caldo. Se disegniamo il fronte caldo in una sezione verticale (vedi lucido 19), si vede che la zona di separazione tra aria calda (AC) ed aria fredda (AF), cioè il fronte caldo, è inclinata rispetto al moto: l'aria calda scivola sopra quella fredda, essendo più leggera. Nel movimento lento e graduale verso l'alto l'aria calda ed umida si raffredda e condensa gradualmente: si creano così particolari tipi di nubi a sviluppo orizzontale. L'osservatore che si trova ad est, vede avvicinarsi innanzitutto i cirri.

lucido19.gif (92835 byte)Si può inoltre notare dalla figura, che il fronte si estende per 800 km circa ma la zona interessata dalle precipitazioni è più piccola, solo 270 km.

Continuando a spostarsi il ciclone, l'osservatore supera il fronte caldo ed entra nell'aria calda vedendo avvicinarsi il fronte freddo. In prossimità del fronte freddo abbiamo diversa formazione di nubi (vedi lucido 19b): l'aria fredda spinge l'aria calda, facendola salire velocemente. La zona interessata da precipitazioni è, in lucido19b.gif (90157 byte) questo caso, più stretta e le piogge sono più intense; le nubi sono prevalentemente a sviluppo verticale, e quando terminano le precipitazioni arriva l'aria fredda polare e rimane ancora una zona lievemente perturbata con lieve pioggerellina.

Quando i fronti si uniscono si ha il fronte occluso:

I due fronti hanno un'inclinazione completamente diversa e, soprattutto, in prossimità del suolo il fronte freddo s'inclina molto a causa degli attriti. Quando si ha l'occlusione del fronte, il fronte freddo ha raggiunto quello caldo: aria fredda si unisce e rimane al suolo e scalza verso l'alto l'aria calda. E' una fase in cui le piogge vanno in dissipazione. In questa situazione si ha tipicamente un'inversione termica: infatti il grafico di T=T(z), in cui la temperatura diminuisce con la quota, è:

mentre in questa situazione abbiamo aria fredda al suolo e aria calda più in alto: la temperatura aumenta con la quota fino ad una certa quota e poi diminuisce) e si ha l'inversione termica.

Il massimo di temperatura non è al suolo, ma in quota. Se abbiamo aria calda al suolo e aria fredda in quota, l'aria calda tende a salire e si creano continuamente dei moti convettivi con un conseguente ricambio di aria. Nel caso di occlusione, l'inversione termica crea un blocco ai ricambi verticali dell'aria: si inibiscono i processi di pulizia dell'aria.

suolo280174.gif (147814 byte)Le carte meteo ( vedi lucido 21)

Sono una rappresentazione orizzontale delle condizioni dell'atmosfera al suolo, oppure a vari livelli; nel secondo caso sono delle superfici isobariche, cioè rappresentano l'altezza delle superfici isobariche dal suolo, legata alle alte pressioni e basse pressioni.

lucido21a.gif (98395 byte)Dove troviamo il simbolo, si ha una zona dove sono stati fatti i rilievi meteo (pressione, vento, umidità, ecc.). Più sono numerose le barbette più è intenso il vento.

La direzione del vento è indicata da ...  Il cerchietto è più o meno annerito a seconda della copertura del cielo. Per vedere il valore della pressione, si deve ricordare che il lucido21b.gif (116715 byte) numero riportato rappresenta le ultime due cifre e la prima decimale, senza la virgola: 255 = 1025,5 hPa (1 hPa = 1 mb).

Formazione di una nube (vedi lucido 22)

simbologia.gif (135037 byte)lucido22.gif (96841 byte)Le tre fasi sono: formazione, maturazione, dissipazione. La nube si forma perché c'è aria calda che si muove verso l'alto e si raffredda: si ha la condensazione. Le isoterme sono un po' inclinate perché l'aria salendo deforma un po' la stratificazione della nube: al centro la nube è più calda che all'esterno. A seconda della temperatura che l'aria, salendo, raggiunge possiamo avere gocce di pioggia, di neve, di ghiaccio, che inizialmente galleggiano nella nube rimanendo in aria. Nella fase di maturazione, le gocce aumentano di dimensioni e iniziano a precipitare: possono precipitare e dissiparsi prima di arrivare al suolo, ma se la loro dimensione è sufficientemente grande, giungono al suolo e danno luogo a fenomeni di pioggia (neve o grandine). Nell'ultima fase, termina la risalita di aria e quindi la nube continua a cedere il proprio contenuto fino a dissipazione. Le nubi possono avere un'altezza fino alla tropopausa.

 

(Aggiungere appunti su equazioni del moto, attriti, Ekman; vedere dal ... fronti, ciclogenesi, ecc.)

 



Questa pagina è stata realizzata da Vittorio Villasmunta

Ultimo aggiornamento: 06/01/15