Meteorologia

Le tecniche convenzionali di osservazione meteorologica in quota stanno rapidamente diventando inadeguate rispetto alle necessità dei nuovi metodi numerici di previsione. Le moderne teorie sulla circolazione atmosferica pongono una crescente enfasi sull'importanza dell'unità globale dell'atmosfera, sicché è motivo di grande preoccupazione il fatto che vaste aree oceaniche siano quasi ignorate dall'osservazione convenzionale. Alcune navi meteorologiche sono mantenute operative con grande dispendio economico, ma varare un numero di navi sufficiente per un'adeguata copertura del solo emisfero settentrionale avrebbe costi assolutamente proibitivi.

La causa di tutti i moti interni dell'atmosfera è l'ineguale riscaldamento della superficie terrestre a opera dei raggi solari. Gran parte del calore e della luce raggiunge le regioni equatoriali, mentre scarsa è la percentuale che raggiunge i poli. In risposta alle risultanti differenze di temperatura, viene mantenuto un complesso meccanismo di circolazione atmosferica che tende a trasferire calore dalle basse latitudini verso i poli.

Nella fascia tropicale, il movimento dell'atmosfera segue un andamento noto come cella di Hadley tropicale, nel quale l'aria discende lungo fasce situate a circa 30° di latitudine nord e sud, e ascende in corrispondenza dell'equatore. A basse quote vi è una deriva generale dell'aria verso l'equatore, mentre a quote superiori una deriva di compensazione verso i poli chiude la cella. Non appena le due correnti superficiali convergono all'equatore provenendo da nord e da sud, in una fascia di bassa pressione nota come zona delle calme tropicali, esse sono forzate a risalire, a espandersi e a raffreddarsi. L'umidità dell'aria condensa quindi in nubi, che tendono a scaricare piogge frequenti su questa area geografica. La fascia di convergenza tende a spostarsi di alcuni gradi verso nord o verso sud a seconda delle stagioni. Alla latitudine di 30° nord e sud, i rami discendenti delle celle vengono riscaldati per compressione, e le eventuali nubi vengono disperse. Di conseguenza il tempo è caldo e soleggiato, e predomina un clima di tipo desertico. Dato il movimento di rotazione della Terra, le correnti d'aria che si muovono verso l'equatore, i cosiddetti alisei, vengono deviate verso ovest e quindi spirano da nord-est nell'emisfero settentrionale e da sud-est in quello meridionale.

Alle medie e alte latitudini le caratteristiche più cospicue della circolazione atmosferica sono date da cicloni e anticicloni migranti, e un quadro definito della circolazione globale emerge solo quando questi movimenti sono descritti mediando le osservazioni di molti giorni. Questa circolazione, quasi ovunque, procede da ovest a est (e per questo si parla di venti occidentali) e la sua velocità aumenta con la quota, fino a raggiungere un massimo a circa 13 km di altitudine con velocità medie che superano i 160 km/h. La pressione al livello del mare diminuisce procedendo verso nord da 30° a 60° di latitudine, dove tende a esserci un minimo; procedendo verso nord dai 60° di latitudine, si sviluppa un anticiclone con prevalenza di venti da est (venti polari orientali).

Un aspetto rilevante della circolazione da ovest delle medie e alte latitudini è la presenza di vortici ad andamento ciclonico e anticiclonico, che si spostano da ovest a est e causano cambiamenti del tempo atmosferico da un giorno all'altro. I vortici ad andamento antiorario sono detti cicloni extratropicali, e la loro intensità tende a essere massima in inverno, quando i contrasti di temperatura sono più accentuati.

Nella fascia dei venti occidentali si trova la corrente a getto, una stretta banda di flusso atmosferico ad alta velocità che segue un percorso ondulato da ovest a est. La corrente a getto si trova a una quota media di oltre 12.000 m in inverno e quasi 14.000 m in estate, e la sua velocità può superare i 400 km/h.

Attorno alla Terra, a circa 30° di latitudine nord e sud e in inverno al di sopra dei continenti, tende a dominare un regime di alte pressioni e di venti deboli. In tali regioni i venti si disperdono lentamente in orizzontale, e aria fredda discende da quote superiori per compensazione. Dato il riscaldamento associato alla compressione dell'aria in discesa, gli anticicloni corrispondono in generale a condizioni di tempo sereno, tranne in situazioni locali nelle quali l'aria a contatto con superfici fredde produce nebbie o nubi di bassa quota.

Gran parte delle regioni in cui tendono a prevalere gli anticicloni presenta caratteristiche di uniformità superficiale; di conseguenza, in concomitanza con i lenti moti divergenti, tendono a generarsi grandi masse d'aria con caratteristiche uniformi.

Le masse d'aria tropicali marittime si formano al di sopra degli oceani a 30° di latitudine nord e sud, e possono essere successivamente trasportate a migliaia di chilometri dalla loro origine. Queste masse, molto ricche di umidità, alimentano le precipitazioni alle medie e alte latitudini. Masse d'aria polari continentali, situate in inverno al di sopra delle estensioni innevate del Nord America e dell'Asia, raggiungono temperature estremamente basse, tra i 60 e i 70 °C sotto zero.

Quando le masse d'aria si incontrano, si producono zone di forte contrasto termico. Tali regioni, particolarmente studiate dai meteorologi norvegesi già durante la prima guerra mondiale, sono denominate fronti e rappresentano strette zone di forte variabilità del tempo atmosferico. I fronti più cospicui tendono a essere situati in inverno in prossimità della costa orientale del Nord America e, analogamente, al largo delle coste asiatiche nel Pacifico. Le masse d'aria continentale polare tendono ad affondare e a espandersi al di sotto delle calde masse di aria tropicale marittima. Le masse calde vengono pertanto spinte al di sopra delle masse d'aria polare lungo il fronte, e si raffreddano per espansione. Il raffreddamento fa condensare rapidamente l'umidità in esse contenuta, e ne provoca la precipitazione.

Venti dominanti.

I metodi utilizzati per elaborare le previsioni del tempo hanno subito un gran numero di modifiche a partire dalla seconda guerra mondiale, in risposta ai progressi della tecnologia dei calcolatori, dei satelliti e delle comunicazioni. La ricerca in materia è ancora intensa e si attendono grandi progressi nel corso del prossimo decennio.

La raccolta di dati meteorologici viene effettuata soprattutto per trasmissione di messaggi codificati via cavo e via radio. A livello nazionale, i dati raccolti da ogni stazione meteorologica vengono simultaneamente trasmessi a tutte le altre. Le raccolte nazionali vengono a loro volta condivise attraverso circuiti di comunicazione ad alta velocità, così da permettere che nell'arco di un'ora le misure alla superficie e in quota relative alle condizioni atmosferiche siano rese disponibili a tutti i paesi.

Le equazioni che governano le condizioni fisiche dell'atmosfera sono note in linea di principio da molto tempo, ma solo da pochi anni si dispone della potenza di elaborazione necessaria a risolverle. L'atmosfera è troppo grande e complessa perché se ne possa prevedere l'esatto comportamento anche con i più potenti computer esistenti, ma è comunque possibile mettere a punto modelli matematici abbastanza realistici. Nel modello più semplice, vengono previste le condizioni di un solo livello dell'atmosfera, ma descrizioni più realistiche sono possibili attraverso l'uso simultaneo di più livelli; il modello più sofisticato impiegato attualmente ne comprende nove. I cambiamenti delle condizioni dell'atmosfera possono essere calcolati per un breve lasso di tempo purché sia noto, dalle osservazioni, lo stato iniziale. Risolvendo le equazioni è possibile calcolare lo stato dell'atmosfera in ognuno dei livelli fino a 10 minuti dopo il tempo iniziale. I dati calcolati sono quindi sostituiti a quelli osservati, e il processo viene ripetuto per passi successivi fino a che non viene raggiunto un tempo totale di 72 ore. Le condizioni ricavate in questo modo vengono tracciate automaticamente sulle carte, dopo 12, 24, 36, 48 e 72 ore, per ognuno dei livelli considerati.

Le procedure sopra descritte vengono eseguite automaticamente, ma per interpretare le previsioni risultanti occorre una notevole dose di perizia. Il tempo atmosferico dipende in larga misura da condizioni locali che non possono essere comprese nei modelli. Questi pertanto non costituiscono perfette rappresentazioni dell'atmosfera, e chi deve elaborare le previsioni del tempo spesso preferisce non affidarsi completamente ai risultati forniti dai computer, ma apporta modifiche sulla base della propria esperienza.

Sono stati elaborati metodi statistici per trarre vantaggio dall'esperienza ottenuta da osservazioni sull'atmosfera protratte per lunghi periodi di tempo. In alcuni di questi metodi, gli schemi di comportamento dell'atmosfera sono classificati in molti gruppi differenti, e la previsione viene fatta in riferimento al comportamento passato del gruppo a cui le condizioni osservate sono riferite; il vantaggio di questo metodo è che può essere determinata la probabilità che si verifichino vari eventi alternativi.

L'attendibilità delle previsioni del tempo è relativa, e le percentuali di attendibilità hanno poco significato senza una descrizione dettagliata delle regole di base che sono state seguite per giudicare la validità di una previsione. È comunque diventato normale negli ultimi anni vantare percentuali di attendibilità dall'80 all'85% su periodi di una giornata. I modelli numerici hanno dato come risultato un miglioramento considerevole dell'attendibilità in confronto alle previsioni che venivano fatte in passato sulla base di metodi soggettivi. Al presente, la capacità di prevedere specifici eventi atmosferici può essere dimostrata fino a cinque giorni in avanti, e sono stati ottenuti successi nelle previsioni di scostamenti dalla norma delle temperature e delle precipitazioni fino a 30 giorni.

La crescita delle goccioline che costituiscono le nubi e la formazione di precipitazioni sono processi di grande complessità che non sono ancora stati del tutto chiariti. Alcuni studi teorici ipotizzano che la formazione di precipitazioni dalle goccioline delle nubi sia aiutata dalla presenza di minuti cristalli di ghiaccio; dal momento però che le temperature di molte nubi di bassa quota che producono precipitazioni cospicue sono sempre al di sopra del punto di congelamento, sembra che anche altri processi abbiano importanza. La crescita di gocce per collisione e coalescenza è stata ipotizzata come altro meccanismo nel processo di precipitazione.

In anni recenti i meteorologi hanno studiato la possibilità di modificare il tempo atmosferico inseminando le nubi con varie sostanze, come cristalli di ioduro d'argento. Ricerche considerevoli sono state fatte sulla dispersione della nebbia, come metodo per aumentare la visibilità per gli aerei; ma lo scopo della maggior parte degli esperimenti è la produzione artificiale di precipitazioni e la prevenzione della grandine. Le varie tecniche possono essere valutate scientificamente determinando se vi sia differenza tra il quantitativo di pioggia indotta con mezzi artificiali e quello che sarebbe caduto in ogni caso. Questa differenza è di difficile determinazione, perché le condizioni meteorologiche essenziali per la produzione di pioggia artificiale sono simili a quelle che producono le precipitazioni naturali. A quanto si sa, i mezzi artificiali si sono dimostrati in grado di modificare l'entità delle precipitazioni solo in aree limitate, in condizioni meteorologiche favorevoli. Per le nubi al di sotto del punto di congelamento dell'acqua, l'agente di inseminazione più efficace è il ghiaccio secco. In queste nubi lo ioduro d'argento ha dato risultati scarsi, specialmente quando i cristalli venivano diffusi da terra anziché da aerei. Le nubi cumuliformi a temperatura relativamente alta possono essere indotte a rilasciare pioggia per mezzo di spruzzi d'acqua o con diffusione di cristalli di sale.

Alcuni recenti esperimenti hanno inoltre indicato che la grandine e le nevicate troppo abbondanti possono essere scongiurate inseminando le nubi con quantità in eccesso di ioduro d'argento.