lunedì, Luglio 22, 2024

Corso di Meteorologia Online completo per velisti – 2

CORSO CAP1

Capitolo 2 : Alte/basse pressioni, effetto Coriolis

Nel nostro Corso di Meteorologia [1] abbiamo parlato dei principi base fino ad arrivare al ciclo delle brezze. La brezza di mare in giorno di sole estivo è il modo più semplice per capire come si forma il vento. Per estensione possiamo cercare di immaginare come avvenga la circolazione delle masse d’aria su scala più ampia. Ci sono vari passaggi logici da capire e questo secondo articolo, è da leggere attentamente.

Meteorologia: la circolazione atmosferica su scala globale

Se l’esempio della brezza marina fosse applicabile anche su scala globale, si innescherebbe una circolazione da equatore (zone calde) a poli (freddi). Ovvero l’aria calda salirebbe espandendosi e raffreddandosi per poi cadere su polo Nord e polo Sud. A livello di superficie terrestre dovremmo assistere ad un vento di superficie che da nord spira costante verso Sud (nell’emisfero Nord detto boreale). Questo per andare a rimpiazzare l’aria calda sollevatasi dalla superficie terrestre nella zona di massima circonferenza.

In quota avremmo dunque venti costanti da equatore a poli, e in superficie venti costanti in direzione opposta. Nel’emisfero boreale, dovremmo avere sempre venti da Nord costanti in tutte le stagioni dell’anno.

Sappiamo che non è così e possiamo dedurne che la questione è un po’ più complicata. Come vedremo però tutti i principi di base rimarranno validi e l’introduzione fatta nel primo articolo tornerà utile. Cerchiamo di fare chiarezza, questi concetti di meteorologia sono i fondamenti necessari per poi affrontare i capitoli successivi.


La circolazione atmosferica tra equatore e tropici

La massa calda ed umida che si solleva dalle zone più calde fa inizialmente esattamente quanto descritto. Sale in quota, di raffredda ed espande, si condensa in nuvole, crea le piogge non a caso dette equatoriali. Le grandi foreste del mondo sono tutte in lungo questa fascia, perché qui il fenomeno si ripete costantemente, con umidità e caldo. L’aria in quota si disperde poi sì verso Nord e Sud ma non arriva  a cadere secca e fresca ai poli bensì ai tropici.

Quest’aria secca tornerà verso la superficie terrestre senza un briciolo di umidità. Non a caso lo fa in corrispondenza dei più grandi deserti del mondo come il Sahara. Dalle zone tropicali esiste sì una circolazione di superficie diretta verso l’equatore. Questo primo anello circolatorio in meteorologia prende il nome di cella di Hadley.


La circolazione atmosferica tra tropici e circoli polari

Tra i tropici e i circoli polari esiste un secondo sistema circolatorio. Questa volta la zona di innalzamento di aria calda ed umida è posta fra i cinquanta e i sessanta gradi Nord (o Sud). A queste latitudini c’è una costante formazione di depressioni di cui parleremo nel prossimo articolo. Una depressione non è altro che una zona con aria calda ed umida che sale, si condensa e genera piogge.

L’aria (più) calda ed umida sale dalle zone sub polari, ed espandendosi crea una circolazione in quota diretta verso Sud. Qua sarà nuovamente aria fresca e secca, come quella proveniente dei tropici a cadere sulle stesse zone desertiche. Questo sistema di circolazione dell’atmosfera terrestre prende il nome di cella di Ferrel


L’ultima delle celle in meteorologia, quella polare

Esiste un’ultima cella che ripete lo schema circolatorio delle altre due, quella polare. Dalle zone subpolari l’aria che sale e si espande viaggia sia verso Sud che verso i poli in quota. In corrispondenza dei poli, questa massa d’aria, ricade fredda e secca. In superficie avremo una circolazione prevalente da Nord a Sud, in quota da Sud a Nord.

Se non aggiungessimo altre variabili saremmo arrivati a descrivere tre celle. Le celle di Hadley, quelle di Ferrel e l’ultima fra zone sub polari e poli, le celle polari. Nell’emisfero boreale assisteremmo a venti di superficie prevalenti da Nord a Sud fra tropici ed equatore. Da Sud a Nord tra tropici e zone subpolari e infine da Nord a Sud tra poli e zone subpolari. In quota i tre flussi sarebbero invertiti creando appunto tre sistemi circolatori per emisfero. Quest’ultima delle grandi celle che descrivono i flussi atmosferici è detta cella polare.

Per riassumere le tre grandi celle per ciascun emisfero che descrivono il flusso circolatorio dell’atmosfera sono:

  • Cella di Hadley
  • Cella di Ferrel
  • Cella polare

Meteorologia: la forza di Coriolis

Come avevo premesso questo sarebbe quello che succederebbe in assenza di altri fattori. I venti di superficie prevalenti fra tropici verso Sud non viaggiano esattamente da Nord a Sud, bensì soffiano da Nord-Est. Hanno un nome ben preciso che tutti conosciamo, sono gli alisei. Allo stesso modo nell’emisfero australe o australe gli alisei soffiano da Sud-Est in maniera simmetrica a quelli boreali. Perché nell’emisfero boreale non viaggiano in linea retta da Nord a Sud e sono invece “deviati” verso Ovest scendendo? Sembrerebbe un mistero della meteorologia, ma per fortuna arriva in soccorso la fisica.

La forza di Coriolis è uno di quegli argomenti che rimane sempre incompreso. Ho tenuto questo corso decine di volte a tantissime persone, e non mi è mai capitato qualcuno che me la sapesse spiegare chiaramente. La forza di Coriolis innanzitutto non è una vera forza esterna che viene esercitata sulle masse d’aria per deviarle. Tanto quanto la forza centrifuga è solo l’effetto percepito di un oggetto che tenta di mantenere il proprio stato di moto per inerzia.

Quando facciamo roteare una pallina legata ad un filo, il filo sarà sempre più teso all’aumentare della velocità. Questo perché la pallina vorrebbe andare dritta e non essere “obbligata dal cordino” a girare ancora. Infatti quando lasciamo andare il cordino questo perde immediatamente tensione e la pallina parte per la tangente. In assenza di gravità ed attrito il suo moto sarebbe rettilineo e continuo nella direzione e velocità al momento del rilascio. Vedrete come la fisica, l’inerzia, verrà in soccorso a spiegarci la meteorologia.


La meteorologia e l’inerzia

Per prima cosa, per analogia con l’esempio della pallina, dovremmo parlare di effetto di Coriolis piuttosto che di forza. Le masse d’aria tentano di mantenere la loro velocità e direzione per inerzia come la pallina legata al filo. Immaginiamo una pallina che si trovi al polo Nord, a che velocità viaggia rispetto alla rotazione della terra? E’ perfettamente ferma ruotando su sé stessa senza alcun moto. Una pallina all’equatore invece, vista dal polo Nord, starebbe ruotando alla velocità di circa 40,000 Km al giorno (un giro della terra). Questa velocità, in fisica e in meteorologia è la velocità tangenziale rispetto alla superficie terrestre.

Se la terra smettesse improvvisamente di ruotare, la pallina al polo nord rimarrebbe ferma, la pallina all’equatore partirebbe tangenzialmente per inerzia. Lo farebbe alla velocità di 40,000 Km al giorno, la velocità di rotazione del nostro pianeta al punto di massima circonferenza. Ovvero entrambe le palline preserverebbero il loro stato di movimento o assenza di esso. Lo farebbero al momento esatto dello stop alla rotazione terrestre, per inerzia. Se abbiamo capito questo concetto di fisica applichiamolo alla meteorologia.

La velocità tangenziale e Coriolis

In astratto, la pallina ha viaggiato con moto Nord-Sud senza alcuna deviazione. Ma se osservata da più a Sud o tracciata su un mappamondo la pallina lascerà una traccia deviata verso Ovest (sinistra). Questo perché al momento in cui l’abbiamo colpita non aveva alcuna velocità tangenziale. Per simmetria se colpiamo una pallina all’equatore verso Nord dovremo tener conto che si sta anche muovendo con velocità tangenziale di 40,000 Km/giorno. Questo è veramente un concetto chiave nella Meteorologia, seguite con attenzione.

Man mano che la pallina sale di latitudine, la circonferenza della terra diminuisce (su piani paralleli). 40,000 Km/giorno sono sufficienti a fare un solo giro della terra all’equatore. Salendo di latitudine sarebbe sufficiente una velocità inferiore. Per inerzia però la pallina manterrà la sua velocità tangenziale equatoriale sommata alla velocità data dalla spinta datagli verso nord. Questo è il passaggio più difficile da capire: preservando la propria velocità tangenziale, andando verso nord, la pallina sembrerà deviare verso Est (destra). Questo perché a latitudini maggiori la circonferenza diminuisce e la pallina ha una velocità tangenziale superiore a quella della superficie terrestre.

L’effetto di Coriolis in Meteorologia

La pallina che parte dall’equatore ha una velocità tangenziale che andando verso nord sarà superiore a quella della superficie della terra. Nel preservarla, vedremo la sua traccia deviare verso destra: se arrivate a capire velocità tangenziale e inerzia ci arriverete, un pilastro della meteorologia.

Applicato ai venti, questo significa che tutti i venti che nell’emisfero boreale viaggiano verso Sud, sono deviati ad Ovest. Tutti i venti che nell’emisfero australe viaggiano verso Nord sono deviati verso Est. In entrambi i casi per via della “forza” o meglio effetto di Coriolis. E’ il più importante e più incompreso dei fenomeni in meteorologia, ma alla fine non si tratta che di leggi della fisica.

I flussi atmosferici corretti dall’effetto di Coriolis

Sommando tutto quanto detto fin’ora arriviamo a capire i grandi e stabili flussi prevalenti a livello globale. Le masse d’aria che dai tropici nell’emisfero boreale viaggiano verso Sud sono deviati verso Ovest. Questi sono gli alisei di Nord-Est. Nell’emisfero australe tutti i ragionamenti sono capovolti e il flusso che viaggia questa volta verso Nord è deviato a Ovest. Da questo gli alisei di Sud-Est. Tutti ne abbiamo sentito parlare in meteorologia, sono conosciuti da tempi antichissimi.

Alle latitudini della seconda cella, quella di Ferrel, invece avremo venti prevalenti da Sud-Ovest. Questi sono i venti tipici del settore caldo di una depressione atlantica il cui centro si trova in zona sub polare. Chi vive in Bretagna o nel Regno Unito conosce bene la prevalenza del vento da Sud-Ovest. Questo anche il motivo per cui la famosa regata OSTAR è sempre stata tanto temuta, essendo in direzione contraria rispetto ai venti prevalenti.


Meteorologia: la circolazione fra alte e basse pressioni

A livello globale abbiamo dunque aree di basse pressioni ai circo polari ed all’equatore. Ai tropici e ai poli abbiamo zone di alta pressione. Le masse d’aria si sposterebbero in linea retta come nell’esempio della brezza di mare dalle alte alle basse pressioni. Tuttavia dobbiamo tenere in conto l’effetto di Coriolis che si applica a tutte le masse d’aria in movimento. Nell’emisfero boreale, il flusso d’aria che tentasse di raggiungere una depressione più a Nord sarebbe deviato verso Est. L’aria gelida dei poli che scende verso una depressione sub polare è invece deviata verso Ovest. Entrambi i flussi cercano di “colpire l’obiettivo” ma per via dell’effetto Coriolis lo mancheranno inesorabilmente.

E’ proprio per via dell’effetto di Coriolis che su larga scala le depressioni hanno venti che ruotano tentando di raggiungerne il centro. Il senso di rotazione è antiorario nell’emisfero boreale e orario nell’emisfero australe. Se avete capito la forza di Coriolis questi passaggi di meteorologia dovrebbero diventar chiari.

Dalle alte pressioni invece a livello della superficie terrestre il vento diverge uscendo con rotazione oraria al Nord. Da questo ne consegue, che se aggiungiamo la dimensione dell’altitudine, una depressione è una colonna che sale ruotando in senso antiorario (emisfero Nord). Una alta depressione è una cascata che scende ruotando in senso orario (emisfero Nord). Anche questo è un punto cardine della meteorologia.

Meteorologia: La legge di Buys Ballot

Da tutto quanto detto fin’ora ne consegue la famosa legge di Buys Ballot. Questa ci dice che se ci mettiamo faccia al vento, avremo una alta pressione a sinistra ed una bassa pressione a destra.

I flussi a getto o jet stream

Ci è rimasto un ultimo punto da snocciolare in questo articolo. Ovvero capire perché ci siano tre celle, Hadley, Ferrel e Polare nel sistema di circolazione atmosferica globale. Cos’è che impedisce a questa circolazione di essere una sola enorme cella da polo ad equatore. La risposta sta nella presenza dei flussi a getto, venti fortissimi in alta quota che soffiano in senso orario da Ovest a Est. La loro presenza è stata documentata anche su altri pianeti con una atmosfera, tuttavia la loro esistenza non è ancora chiarissima. Non è legata al movimento rotatorio della terra e sappiamo che si formano dove masse d’aria di temperature diverse si incontrano.

Non a caso esiste un flusso a livello dei tropici e uno a livello subpolare, ma in quanto a causa ed effetto siamo persi. Dalla nostra analisi iniziale esisterebbe una sola cella, ma scopriamo che sono tre per via dei jet stream. Sono i flussi a getto a modificare la circolazione a livello globale, non viceversa. Dire che esistono dove masse di temperature diverse si incontrano non ne spiega la nascita. Dove i venti polari che soffiano da Nord-Est si incontrano con i venti caldi ed umidi in risalita di Sud-Ovest ci sono i jet stream.

Esistono flussi a getto alle latitudini dei tropici e delle zone subpolari. Non seguono un andamento lineare ma sono come dei fiumi in piena che navigano ad alta quota. Il loro spostamento ha dei profondi impatti sulla meteorologia a livello mondiale. Dunque è importante capirne il posizionamento e gli effetti, primo fra tutti quello di determinare la creazione delle celle di HadleyFerrel e polari.

Nei prossimi capitoli
Nei prossimi articoli parleremo di carte sinottiche, di cosa siano e di quale sia la situazione sinottica media. Passeremo poi ad analizzare come da questo contesto statico si passi ad uno dinamico con un movimento continuo dei sistemi meteorologici. La meteorologia è una materia affascinante e complicata ma passo passo arriveremo a capire concetti sempre più complessi. In questo articolo abbiamo affrontato una pietra miliare come la forza di Coriolis. Spero di non avervi deluso con la magra se non assente spiegazione relativa ai Jet Stream. Questo però aumenta solo il fascino di questa materia fantastica che è la meteorologia.

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