Nel primo articolo di introduzione lo scrivente si è voluto soffermare sulla definizione di clima e soprattutto sull’uso corretto del termine a fronte della continua confusione sulla sua adozione, in campo scientifico, in similitudine al termine di tempo atmosferico.
Si è voluto inoltre precisare l’origine della sua errata percezione poiché, come già noto, gli elementi del tempo atmosferico sono gli stessi elementi che servono a caratterizzare e descrivere il clima.
In questo articolo si vuole introdurre, in via puramente descrittiva, lasciando al lettore l’eventuale approfondimento fisico e matematico, la conoscenza dei principali elementi che caratterizzano il clima di una qualunque località.
RADIAZIONE SOLARE : il Sole è la principale fonte di energia che arriva sulla Terra e senza questo costante apporto energetico non sarebbe possibile l’esistenza di molti altri elementi del clima quali, ad esempio, i venti, le nubi, le piogge, ecc…, e perfino la vita animale e vegetale. Il fenomeno della radiazione è rappresentato dalla trasmissione di energia mediante onde elettromagnetiche cioè dalla variazione della intensità di un campo elettrico e di un campo magnetico perpendicolari fra di loro. Lo studio dei fenomeni radiativi sta alla base della comprensione dei fenomeni del clima. Nonostante ciò, la radiazione solare è uno di quegli elementi del clima che viene maggiormente trascurato quando si vuole descrivere il clima di una certa località.
I flussi della radiazione si possono suddividere in :
radiazione diretta : rappresenta la radiazione solare che giunge secondo il percorso più breve dal Sole al punto preso in considerazione sulla superficie terrestre. Viene misurata mediante l’utilizzo di strumentazioni chiamate pireliometri e che sono caratterizzate dal fatto che la superficie di misura è mantenuta costantemente perpendicolare ai raggi solari e l’apertura dello strumento è all’incirca pari all’angolo solido sotto cui è visto il Sole dalla Terra. La misurazione avviene in giornate con calma di vento e per una misurazione sicura si eseguono misure per un periodo di tempo variabile fra i quindici e venti minuti durante i quali vengono acquisite almeno dieci letture. In assenza di esigenze di particolari precisioni nella sua misurazione, la radiazione diretta può essere ottenuta in continuo come differenza tra la misura di radiazione globale e quella diffusa;
radiazione diffusa : rappresenta la radiazione solare il cui percorso rettilineo è stato deviato dall’atmosfera e dalla presenza di nubi e pertanto viene definita come la componente, misurata sul piano orizzontale, della radiazione solare che arriva a terra non direttamente dal disco solare ma per effetto della diffusione da parte delle molecole dei gas dell’atmosfera e/o da parte delle nubi. Per la sua misurazione si utilizza uno strumento chiamato solarimetro;
radiazione globale : viene definita come la somma delle componenti misurate a terra su un piano orizzontale, della radiazione solare diretta e diffusa per effetto delle nubi e di altri costituenti atmosferici. Ovviamente, come è facile intuire, i rapporti tra le due componenti sono in profonda relazione alle condizioni atmosferiche. Per la sua misurazione si utilizza uno strumento chiamato piranometro;
radiazione netta : viene definita come la differenza tra la radiazione proveniente dal cielo e quella in arrivo dalla superficie in esame cioè la radiazione terrestre emessa dalla superficie terrestre nella banda dell’infrarosso. La sua misurazione avviene mediante l’utilizzo di due piranometri, uno rivolto verso l’alto e l’altro rivolto verso la superficie in esame;
radiazione totale : è costituita da tutti i flussi di radiazione che giungono dal Sole, dall’atmosfera, dalle nubi e dalla superficie terrestre.
L’unità di misura dei flussi di radiazione è il Langley definito come il rapporto tra 1 caloria e 1 centimetro quadrato (cal / cm^2).
Altre due misurazioni di una certa importanza in climatologia sono rappresentate dall’albedo e dall’insolazione :
albedo : viene definito come il rapporto fra l’energia riflessa e quella totale incidente sulla superficie considerata;
insolazione o eliofania : rappresenta l’effettivo numero di ore di sole nei vari periodi dell’anno. L’eliofania dipende, oltre che dalla durata teorica del giorno, intesa come ore di luce, anche dalle condizioni meteorologiche ed in particolare dalla copertura del cielo durante il giorno.
TEMPERATURA : innanzitutto proponiamo una definizione di calore, da non confondere assolutamente con il termine temperatura : forma di energia che si trasferisce tra due corpi, o tra due parti di uno stesso corpo, che si trovano in condizioni termiche diverse. Il calore risulta pertanto una grandezza fisica che non può essere né osservata né misurata direttamente ma possono essere osservati e misurati gli effetti da essa prodotti. Il calore è energia in transito che fluisce sempre dai punti a temperatura maggiore ai punti a temperatura minore, finché non viene raggiunto l’equilibrio termico. Pertanto il calore è legato alla presenza di diversi stati termici i quali, a differenza, possono essere osservati e misurati, cioè è possibile associare ad ogni stato termico un numero che viene per l’appunto chiamato temperatura e che quantifica, in modo oggettivo, la sensazione soggettiva di caldo e freddo. La temperatura è quindi correlata alla quantità di energia termica o calore di un sistema. Se viene aggiunto calore la temperatura sale, similarmente un decremento di temperatura corrisponde a una perdita di calore del sistema. Su scala microscopica, questo calore corrisponde al movimento casuale degli atomi e delle molecole del sistema. Quindi un incremento di temperatura corrisponde a un incremento del movimento degli atomi del sistema. In climatologia ci riferiamo alla temperatura dell’aria quale elemento climatico direttamente influenzato dalla radiazione solare nonché da molti altri fattori, diretti e indiretti, sia di natura astronomica, sia di natura geografica, sia di natura fisica, come ad esempio :
– la radiazione solare
– la latitudine
– l’altitudine
– la stabilità o instabilità dell’aria
– la turbolenza
– il tipo di suolo
– l’influenza del mare
– l’influenza dei monti
– i processi di evaporazione e condensazione
– la copertura nuvolosa
La temperatura dell’aria viene misurata con uno strumento chiamato termometro il cui principio di funzionamento si basa sulle variazioni di volume subite da un corpo solido o gassoso o liquido per effetto delle variazioni di temperatura. La scala impiegata nel Sistema Internazionale per la misura della temperatura è il _grado Kelvin (°K)_, basata sul concetto di zero assoluto cioè la temperatura teorica alla quale le molecole avrebbero energia cinetica nulla (vedi definizione di temperatura su sacala microscopica). In climatologia questa scala non viene adottata e si utilizza il _grado Celsius (°C)_, nella quale il valore zero corrisponde alla temperatura di solidificazione dell’acqua ed il valore cento corrisponde alla temperatura di ebollizione dell’acqua.
PRESSIONE ATMOSFERICA : la pressione atmosferica viene definita come la forza riferita all’unità di superficie che la massa d’aria esercita in ogni punto dello spazio atmosferico e sulla superficie terrestre. Dalla definizione è facile intuire come ogni variazione della pressione in un certo punto dell’atmosfera è dovuto ad una variazione della massa d’aria contenuta nella colonna di sezione unitaria sovrastante quel punto. I motivi per i quali si possono avere queste variazione di pressione sono :
– avvezione : consiste nella sostituzione, di uno o più strati della colonna d’aria, operata dall’afflusso di aria più fredda o più calda;
– afflussi e deflussi : la massa d’aria all’interno di una ipotetica colonna può aumentare o diminuire se si è in presenza di un afflusso e/o deflusso orizzontali di diversa entità;
– moti verticali : i moti verticali dell’aria attraverso una sezione della colonna atmosferica, verso il basso o verso l’alto, possono provocare un aumento o diminuzione della densità della massa d’aria.
Per la sua misurazione si ricorre ad uno strumento chiamato barometro e l’unità di misura adottata è l’ettopascal (Hpa) definito secondo la seguente uguaglianza :
1 Hpa = 100 Pa = 100 N / m^2
dove N rappresenta il Newton, l’unità di misura delle forze cosicché l’unità di misura della pressione è pari ad 1 N su 1 m^2.
VENTO : elemento climatico strettamente legato alla pressione atmosferica è il vento, un moto quasi orizzontale che l’aria compie, rispetto alla superficie terrestre, sotto l’azione della forza di gradiente barico. La causa di questo spostamento di masse d’aria risiede nella differenza di pressione fra zone diverse della superficie terrestre, dovuta a differenze di densità dell’aria provocate a loro volta da differenze di temperatura o umidità a loro volta causate dalla differente insolazione del suolo o alla ripartizione dei mari e delle terre emerse. Il lettore si soffermi sul fatto che anche il vento è funzione della radiazione solare. In climatologia, quando si parla di vento, ci si riferisce a due sue caratteristiche fondamentali, la direzione, che indica il luogo di provenienza della massa d’aria e l’intensità, nella sua componente orizzontale.
Intensità del vento : come abbiamo detto la velocità del vento è una quantità vettoriale e di conseguenza richiede di essere individuata sia in intensità che in direzione. La misura dell’intensità del vento è data dalla misura della componente orizzontale del moto dell’aria, le cui variazioni risultano però molto irregolari ed interessano la velocità sia in intensità che in direzione. Queste fluttuazioni, quasi istantanee, hanno costretto a definire come misura standard la media su dieci minuti di dati rilevati ogni minuto a dieci metri di altezza dal suolo. Lo strumento per la misurazione dell’intensità del vento è l’anemometro e l’unità di misura utilizzata è il metro al secondo (m/s).
Direzione del vento : essendo la direzione del vento un parametro fortemente variabile, istante per istante, per avere la direzione prevalente è necessario eseguire la media di un elevato numero di valori istantanei. Lo strumento utilizzato per la sua misurazione è il gonioanemometro o anemoscopio. L’unità di misura è il grado e i quadranti di riferimento sono 1° (0° – 90°), 2° (90° – 180°), 3° (180° – 270°), 4° (270° – 360°). A questo proposito è doveroso fare attenzione per direzioni oscillanti intorno allo zero (e a 360°) in quanto la semplice media aritmetica può portare ad errori macroscopici. Si pensi ad esempio a due valori 10° e 350° espressione di una direzione del vento intorno a nord ma la cui media aritmetica risulta 180°, vento da sud !
UMIDITA’ : l’acqua è l’unico elemento presente nell’atmosfera in tutte le sue forme, solida, liquida e gassosa anche se la maggior parte si trova comunque sottoforma di vapore. A tal proposito si definisce umidità la quantità di vapore acqueo contenuta nell’atmosfera. La sua concentrazione in un volume di aria è estremamente variabile nel tempo e nello spazio e deriva dall’evaporazione dell’acqua dei mari, dei laghi e dei fiumi, del terreno, della vegetazione e dalle superfici gelate.
La concentrazione del vapore acqueo nell’atmosfera può essere espressa secondo le seguenti principali grandezze igrometriche :
– rapporto di mescolanza : esprime il rapporto fra la massa di vapore contenuto in una certa massa d’aria umida e la parte di aria secca contenuta in tale massa;
– umidità specifica : esprime il rapporto tra la quantità di vapore presente in un dato volume d’aria e la massa totale di aria umida contenuta nello stesso volume;
– umidità assoluta : esprime la densità del vapore acqueo nell’atmosfera cioè indica quanti grammi di vapore acqueo sono contenuti in un metro cubo d’aria;
– umidità relativa : esprime in forma percentuale lo stato di saturazione di una massa d’aria essendo il rapporto percentuale tra la quantità di vapore contenuta in un certo volume e la quantità massima di vapore ammessa in quel volume e a quella determinata temperatura;
– temperatura di rugiada : esprime la temperatura alla quale occorre raffreddare isobaricamente, cioè con processo a pressione costante, l’aria umida affinché il vapore acqueo in essa contenuto pervenga alla saturazione. La differenza fra la temperatura della massa d’aria e la temperatura di rugiada rappresenta l’entità del raffreddamento necessario perché il vapore contenuto nella massa d’aria raggiunga la saturazione.
In climatologia la grandezza igrometrica maggiormente utilizzata è l’umidità relativa e lo strumento per la sua misurazione è l’igrometro.
NUBI : una nube è un insieme di centinaia di microscopiche particelle d’acqua o di ghiaccio, così numerose in concentrazione da apparire visibili ad un osservatore, per mezzo della diffusione della luce ricevuta. Le dimensioni delle particelle d’acqua variano da pochi micron fino a cento micron. La loro formazione è sempre legata ad un processo di condensazione o sublimazione del vapore acqueo presente nell’atmosfera. In climatologia è prassi misurare :
– copertura del cielo : essa viene determinata suddividendo immaginariamente la volta celeste al di sopra dell’osservatore in quadranti, ognuno rappresentante un ottavo della volta intera. La copertura nuvolosa viene ricavata misurando direttamente la frazione, espressa in ottavi, della copertura del cielo;
– tipo di nubi : è la misurazione che serve per l’identificazione del tipo di nubi presenti nella volta celeste al momento dell’osservazione. La classificazione adottata è quella standard proposta dall’Organizzazione Mondiale per la Meteorologia la cui classificazione principale riguarda l’altezza delle nubi (alte, medie, basse) e la forma (cirri, starti, cumuli, ecc …);
– altezza della base delle nubi : è una misurazione che serve per individuare l’altezza della base delle nubi, cioè l’altezza alla quale comincia la formazione dell’ammasso nuvoloso. In questo caso lo strumento utilizzato è il nefoipsometro.
VISIBILITA’ : altro elemento del tempo e del clima utile in analisi climatologiche al fine di definire un clima locale è la visibilità, intesa come la più grande distanza alla quale degli oggetti di rilievo, alberi, case, ecc …, possono ancora essere identificati distintamente a occhio nudo da un osservatore dotato di vista normale. Tale approccio veniva utilizzato nelle osservazioni a vista effettuate da operatori umani e la classificazione poteva essere solo qualitativa (pessima, cattiva, discreta, buona, ottima) in quanto non era possibile stabilire la distanza entro la quale gli oggetti erano visibili. Oggigiorno attraverso strumentazioni sofisticate basate su raggi laser è possibile stabilire la distanza entro la quale un oggetto appare visibile, ottenendo così una classificazione quantitativa stimata mediante unità di misura quale il metro.
PRECIPITAZIONI : abbiamo brevemente illustrato la formazione delle nubi e da quel breve cenno possiamo riprendere dicendo che le precipitazioni hanno luogo quando le particelle d’acqua che compongono le nubi divengono così grosse da vincere la forza di coesione e precipitare verso il suolo. Pertanto il meccanismo di formazione delle precipitazioni consiste sempre nel raffreddamento del vapor acqueo fino al raggiungimento del punto di rugiada e conseguente condensazione. Le precipitazioni possono essere classificate in :
– precipitazioni di tipo convettivo : si hanno a seguito di convezione di aria calda verso l’alto e suo susseguente raffreddamento ;
– precipitazioni di tipo turbolento : la turbolenza meccanica dovuta allo spostamento delle masse d’aria determina il rimescolamento degli strati d’aria con conseguente condensazione alla sommità dello strato di rimescolamento;
– precipitazioni di tipo ciclonico : si formano dallo scontro di masse d’aria aventi caratteristiche fisiche, termiche ed igrometriche, diverse;
– precipitazioni di tipo orografico : sono determinate dal sollevamento forzato dell’aria che si muove al di sopra dei rilievi orografici.
Le precipitazioni sono definite da :
– quantità : espressa in millimetri di acqua caduta nell’intervallo di tempo pari alla durata della precipitazione. Nel caso di neve si può esprimere la quantità in centimetri di altezza del manto nevoso che viene ricondotto in millimetri di acqua considerando un valore di densità media ;
– intensità : è espressa in quantità nell’unità di tempo, ad esempio mm / h ;
– durata : esprime l’intervallo di tempo durante il quale si verifica l’evento ;
– frequenza : esprime l’intervallo di tempo medio dopo il quale si può ipotizzare che si abbia nuovamente un evento precipitativo di una certa quantità o intensità ;
– estensione : esprime la superficie al di sopra della quale si estende un singolo evento precipitativo.
La quantità di precipitazione viene espressa in millimetri e l’abitudine a ragionare in questi termini anziché in litri d’acqua deriva dall’uso del pluviometro, lo strumento utilizzato per la misurazione delle precipitazioni.
E’ comunque possibile concludere che 1 mm di pioggia equivale ad un litro d’acqua caduta su 1 m^2 di superficie.
In climatologia è importante anche l’utilizzo di una misura, il giorno di pioggia, che esprime il numero di giorni in cui si è avuto un evento di precipitazione che abbia cumulato almeno 1 mm di acqua nel pluviometro.
Come già accennato, con questo articolo termina una serie composta di quattro articoli di natura descrittiva riguardanti la climatologia generale in cui sono stati richiamati e portati all’attenzione del lettore alcuni importanti concetti da non dimenticare : clima, tempo atmosferico, stati climatici, categoria climatica, omogeneità climatica, distanza climatica, fattori del clima, elementi del clima.
Come già sottolineato, il lettore interessato ad approfondimenti in merito a questi argomenti è rimandato alla letteratura specifica in quanto lo scopo dello scrivente è quello di sintetizzare i concetti sopra esposti che torneranno utili nella trattazione della climatologia applicata.
Dal prossimo articolo cominceremo a parlare di statistica.
Bibliografia :
Agrometeorologia
Benincasa F., Maracchi G., Rossi P.
PATRON EDITORE – BOLOGNA
