(S-1A)   Il tempo meteorologico e l'atmosfera

Un'estensione facoltativa della sezione (S-1) "La luce del Sole e la Terra". Una discussione più dettagliata (ma qualitativa) relativamente al flusso termico nell'atmosfera e ai processi meteorologici collegati, inclusi il "galleggiamento", la convezione e l'umidità. "Il clima globale, Flussi eolici globali" sono discussi separatamente nella sezione S1-B.

Il vento gira e rigira,
e sopra i suoi giri il vento ritorna.
                Ecclesiaste, cap.1, v.6

Pressione e convezione

    Iniziamo l'argomento parlando del flusso dell'aria. Supponiamo che una "massa d'aria" (usiamo qui questo termine) venga riscaldata in prossimità del suolo per conduzione termica, cioè con un flusso di calore dovuto al contatto diretto con la superficie terrestre calda. Il calore fa espandere l'aria, la quale quindi diventa meno densa dell'aria circostante, per cui, galleggiando, sale verso l'alto come un pallone aerostatico (o come una goccia d'olio in una bottiglia d'acqua).

    Arrivando negli strati alti dell'atmosfera, questa "bolla" di aria calda cede il suo calore (ad altre masse d'aria o magari verso lo spazio esterno), si raffredda, ed altre bolle che provengono dal basso la spingono lateralmente, così che questa massa ricomincia a scendere. (ved. il diagramma qui sopra). Questo flusso circolatorio è chiamato convezione.

Più in generale, la convezione è ogni flusso che

1. raccoglie il calore da una parte,
2. lo deposita da un'altra, e
3. è tenuto in movimento dal trasporto del calore.

La cosa importante da ricordare quando si ha a che fare con i flussi convettivi è che quanto più in alto ci si trova nell'atmosfera, tanto più basse sono la pressione e la densità dell'aria. Ciò che esercita la compressione è il peso degli strati d'aria sovrastanti che l'aria deve sostenere. In cima al monte Everest, c'è meno aria al di sopra e quindi la pressione è più bassa.

A livello del suolo (o meglio, a livello del mare), il peso dell'atmosfera è pari a circa 1 chilogrammo su ogni centimetro quadrato. Questa pressione non dà fastidio al nostro corpo, poiché l'aria al suo interno si trova alla stessa pressione, e i nostri fluidi corporei (come il sangue) non si comprimono molto facilmente. Per la stessa ragione, i pesci non hanno problemi con la profondità -- anche a una profondità di 100 metri, dove la pressione è 11 volte maggiore (10 chilogrammi di acqua su ogni centimetro quadrato, più il peso dell'atmosfera) i pesci non risentono del minimo fastidio.

(Anche i nuotatori subacquei riescono a sopportare una tale pressione, purché l'aria respirata sia compressa alla stessa pressione -- tranne che per il fatto che la miscela deve essere un po' diversa, altrimenti verrebbe inspirato troppo ossigeno, e troppo azoto verrebbe disciolto nel sangue).

Più in alto si va e più fa freddo -- Perché??

Quando l'atmosfera è stabile, più in alto si va, e più fredda è l'aria.

L'aria è più calda vicino al suolo, che assorbe il calore ricevuto con la luce del Sole. La zona più fredda in assoluto è quella al di sopra della quota di volo degli aerei di linea, attorno ai 10-15 chilometri, la regione in cui l'aria irradia la maggior parte del suo calore verso lo spazio. È questo il motivo per cui le cime delle montagne sono fredde e le montagne più alte hanno la cima incappucciata di neve.

(Gli strati ancora più alti ricevono calore dall'assorbimento degli UV e degli "estremi UV," ma questo fenomeno ha poca influenza sugli strati sottostanti).

Che cosa accade esattamente?

Supponiamo che una "massa d'aria" (aria secca, per il momento -- l'umidità è un fattore aggiuntivo, ma lo considereremo in seguito) venga riscaldata dal suolo e salga verso l'alto. Più il alto sale e più la pressione è bassa, per cui l'aria si espande: ma l'espansione causa un raffreddamento.

Similmente, se per qualche motivo la massa d'aria è spinta verso il basso, essa viene di nuovo compressa e si riscalda a causa della compressione. Questo moto in su e in giù avviene costantemente, ma il risultato globale è che, quando le condizioni sono stabili, la temperatura diminuisce con un andamento costante all'aumentare della quota.

Il moto della massa d'aria che sale dipende dall'ambiente circostante. L'aria si raffredda sempre per espansione -- ma è ancora più calda dell'aria immobile circostante? Se lo è, continua a salire, altrimenti si ferma. Come vedremo, è qui che l'umidità dell'aria gioca un ruolo importante.

[In condizioni normali, il riscaldamento diretto da parte del suolo trasporta l'aria verso l'alto soltanto per qualche centinaio di metri, forse per un chilometro, formando al di sopra del terreno uno "strato limite" con molti piccoli flussi convettivi. I moti su larga scala come i temporali in genere avvengono a quote più alte (ved. più avanti).]

Vediamo ora due esempi dell'effetto dell'umidità.

1. In un temporale, l'aria calda e umida sale, come in un normale moto convettivo. Quando quest'aria arriva in una regione di pressione inferiore, si raffredda espandendosi. Tuttavia, l'aria fredda non può trattenere tutta l'umidità che può invece trattenere l'aria calda, per cui l'acqua di troppo viene espulsa. In un moto convettivo moderato, quest'acqua forma le nuvole (come nel secondo esempio più avanti), ma in un violento temporale, vi è troppa acqua, che quindi si trasforma in pioggia.

      Cedendo l'acqua, l'aria si riscalda, o piuttosto rallenta il suo raffreddamento, poiché il calore fornito dal Sole, per fare evaporare l'acqua, viene ora restituito all'aria. Come risultato, l'aria che sale è tuttora più calda degli strati d'aria circostanti, per cui continua violentemente a salire. Essa produce dell'altra pioggia e forma le alte nuvole temporalesche che i piloti sanno bene che devono essere evitate.

       (Nei temporali molto violenti, le "correnti ascensionali" dell'aria che sale in quota possono salire così rapidamente da trascinare verso l'alto le gocce di pioggia contro le zone superiori e fredde delle nuvole, dove queste gocce si congelano producendo la grandine. Gli stessi chicchi di grandine sono più volte sospinti in alto, ricoprendosi di altro ghiaccio ad ogni passaggio. In questo modo si formano in genere i grossi chicchi di grandine).

2.    In una giornata calda e chiara, si possono formare dei piccoli batuffoli nuvolosi. Se un aeroplano leggero vola a bassa quota, ogni volta che esso passa sotto una di queste nuvolette, il pilota ha una sensazione di sollevamento. Che cosa succede?

      -- Il motivo è questo. Il calore del Sole sul terreno ha prodotto delle piccole correnti convettive che si sollevano verso l'alto. In esse l'aria contiene una certa umidità, non abbastanza da produrre un vero temporale, ma sufficiente per generare delle nuvolette quando si condensa in goccioline di acqua a contatto dell'aria fredda che sale.

       Le nuvolette segnano il bordo superiore dello "strato limite" vicino al suolo, con la circolazione di molti piccoli flussi d'aria. Ogni nuvola si trova al di sopra di una corrente convettiva ascensionale, che solleva l'aeroplano quando questo ci passa attraverso. Poiché "ciò che va in su deve poi andare in giù", il pilota può anche aspettarsi una spinta verso il basso tra una nuvola e l'altra, dove l'aria va in giù di nuovo, nell'ambito della circolazione convettiva. Questi movimenti in su e in giù possono provocare nei passeggeri di questi aerei che volano a bassa quota quello che è il classico "mal d'aria"!

   Chi è stato per primo a scrivere "Tutti parlano del tempo, ma nessuno ne sa niente"? Quasi tutti sostengono che fu Mark Twain (provate a fare una ricerca su Internet e vedrete!), però non è così. Lo stile sembra quello di Twain, tuttavia in realtà questa frase è apparsa la prima volta in un editoriale sull' "Hartford (Conn.) Courant" del 24 Agosto 1897, scritto da Charles Dudley Warner.

    Warner era un buon amico di Twain, il quale pure visse a Hartford per molti anni (fino al 1897). Era un giornalista a Hartford e i due collaborarono alla realizzazione del libro "The Gilded Age" del 1873. Warner è anche ricordato per altre citazioni, come, per esempio, "La politica porta a strane compagnie"

A proposito di questa citazione, si può vedere il sito Web
        http://www.m-w.com/wftw/99aug/082499.htm.
e altre notizie su Charles Dudley Warner (e Twain) sul sito
        http://courant.ctnow.com/projects/twain/warner.htm