Introdurremo oggi i concetti di gradiente barico e gradiente termico perché saranno utili per definire gli strati che compongono l’atmosfera.
Il termine gradiente letteralmente significa “avanzante” ed indica una variabile che cambia in modo graduale ed in particolare indica di quanto (qualcosa) cambia in modo graduale.
L’esistenza di un gradiente barico atmosferico ci indica che la pressione varia gradualmente in funzione della quota. Adesso cerchiamo di capire come.
Procediamo con ordine dando una definizione semplificata di pressione atmosferica. Supponiamo di estrarre mentalmente una colonna d’aria: il peso con cui la colonna insiste sulla superficie è la pressione atmosferica. Man mano che si sale di quota, diminuisce la quantità d’aria che pesa sulla superficie considerata e quindi possiamo affermare che la pressione diminuisce gradualmente man mano che saliamo di quota: questo è definito gradiente pressorio o barico, che si sviluppa in senso verticale. Il valore medio annuale della pressione è di 1.033 grammi per centimetro quadrato alla latitudine di 45° e presenta dei dislivelli orizzontali: questi dislivelli sono la forza spingente delle proprietà dinamiche dell’atmosfera (circolazione generale dell’atmosfera, le alte e le basse pressioni…) e dalle quali dipendono i fenomeni del tempo come le precipitazioni, il vento…
Un’altra variabile di stato molto importante necessaria per caratterizzare il sistema atmosfera è la temperatura. I raggi del sole attraversano l’atmosfera e riscaldano il suolo (per irradiazione). Il suolo, a sua volta, riscalda l’aria che vi poggia sopra (per conduzione); quest’aria calda, più leggera, sale verso gli strati più alti ai quali trasferisce (per convezione) il proprio calore. Esiste, quindi, anche un gradiente termico verticale che è il valore con cui cambia la temperatura dell’aria al variare della quota. In atmosfera standard (pressione atmosferica di una colonna d’aria al livello del mare, alla temperatura di 0°C ed a 45° di latitudine) il gradiente termico (cioé la variazione graduale della temperatura) equivale a 0.65° ogni 100 metri. In base alle caratteristiche fisiche dell’aria e dell’ambiente circostante la variazione reale della temperatura con la quota può differire rispetto al valore medio. Se, ad esempio, misuriamo la temperatura dell’aria in una giornata particolarmente assolata in prossimità di una strada asfaltata, il valore misurato potrà misurare decisamente il valore del gradiente medio. Se invece, misurando la temperatura in un prato durante una notte di cielo sereno, in assenza di vento, scopriamo che la temperatura aumenta, siamo in una condizione particolare definita dai meteorologi, di inversione termica (approfondiremo in seguito questo concetto).
Facciamo un esempio ancor più concreto: ci troviamo dinanzi ad una carta a 850 Hpa equivalente a 1.500 metri di altezza e ci accorgiamo che in corrispondenza di Caltanissetta è posizionata una temperatura di +1°. Facciamo due conti:
Altezza della mappa a 850 Hpa: 1.500 metri.
Temperatura prevista a 850 Hpa: +1°C.
Altezza di Caltanissetta: 600 metri s.l.m.
Differenza tra l’altitudine a 850 Hpa e quella di Caltanissetta: 1.500 – 600 = 900 metri.
Applicando la legge del gradiente termico verticale e precisiamolo, in presenza di condizioni buone condizioni atmosferiche (assenza di nubi e vento), ogni 100 metri di discesa, la temperatura si riscalda di 0.65°.
Per cui, la differenza termica è di:
A 1.400 metri la temperatura sarà di: +1.65°C —> (+1°C + 0.65°);
A 1.300 metri la temperatura sarà di: +2.30°C —> [+1°C + ( 0.65°C x 2)]:
A 1.200 metri la temperatura sarà di: +2.95°C —> [+1°C + ( 0.65°C x 3)];
A 1.100 metri la temperatura sarà di: +3.60°C —> [+1°C + ( 0.65°C x 4)];
A 1.000 metri la temperatura sarà di: +4.25°C —> [+1°C + ( 0.65°C x 5)];
A 900 metri la temperatura sarà di: +4.90°C —> [+1°C + ( 0.65°C x 6)];
A 800 metri la temperatura sarà di: +5.50°C —> [+1°C + ( 0.65°C x 7)];
A 700 metri la temperatura sarà di: +6.20°C —> [+1°C + ( 0.65°C x 8)];
A 600 metri la temperatura sarà di: +6.85°C —> [+1°C + ( 0.65°C x 9)];
Quindi sarà plausibile che nella città di Caltanissetta con +1° a 850 Hpa (1.500 metri), la temperatura prevista sarà poco meno di +7°C.
Per capire meglio l’importanza del gradiente termico soprattutto nella bassa atmosfera, supponiamo di seguire il cammino di una particella d’aria di una particella più calda dell’aria circostante. La particella calda sarà più leggera dell’aria che la circonda e questa caratteristica la spingerà verso l’alto: salendo di quota, incontrerà strati di aria in cui la pressione è più bassa, la particella quindi si espanderà raffreddandosi. Se seguissimo la storia di una particella fredda scopriremmo che seguirà un percorso inverso rispetto a quello compiuto dalla particella calda: tenderà a spostarsi verso il basso dove incontrerà valori di pressione più alti; la particella fredda si comprimerà raffreddandosi.
Entrambi i fenomeni di compressione ed espansione avvengono senza che vi sia scambio di calore tra la particella e l’ambiente che la circonda: siamo in presenza di un fenomeno adiabatico (senza scambi di calore).
Per determinare il valore della temperatura della particella, sarà necessario conoscere il contenuto di umidità della particella. Consideriamo i due casi estremi in cui la massa d’aria è particolarmente secca ed il caso in cui è particolarmente umida e quindi vicina alla condensazione. Nel primo caso (aria particolarmente secca) la temperatura diminuirà di 9.8° ogni 1000 m; nel secondo caso, la diminuzione sarà inferiore: 0.5° ogni 1000 m. Il primo valore in meteorologia ha molta importanza e prende il nome di gradiente adiabatico secco.
Questi due valori, sono un riferimento importante per stabilire le condizioni di stabilità o instabilità dell’atmosfera, considerando che la variazione della temperatura in funzione della quota nell’atmosfera reale dipende da molteplici fattori. Se il gradiente reale risulta inferiore a 5° ogni 1000 m siamo in presenza di aria fortemente stabile; se invece è maggiore di 9.8°/1000m siamo in presenza di aria fortemente instabile e nelle condizioni ideali per lo sviluppo di nubi che potrebbero originare anche forti temporali.
E’ quindi chiaro quanto sia importante determinare il profilo termico in una determinata zona. Si utilizzano, a tale scopo, sonde che forniscono una serie di dati, tra cui misure di temperature in funzione della quota.
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