Guido Cioni

Il mio angolo personale sul WEB

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Temporali Estivi: perché?

Con l'arrivo dell'Estate e dei lunghi periodi di stabilità (sole, sole e ancora sole!) si è aperta anche la stagione dei temporali e degli acquazzoni Estivi. Per alcuni potrebbe sembrare controverso che i fenomeni temporaleschi più intensi si verifichino, appunto, nella bella stagione e non nei freddi periodi invernali. Proviamo a spiegare perché.

Per spiegare i fenomeni temporaleschi, o più in generale i fenomeni di precipitazione, bisogna partire da una descrizione generale del processo di formazione delle nubi. Sappiamo che queste sono costituite da goccioline condensate di vapore acqueo, sedimentate in una certa porzione di atmosfera grazie all'azione congiunta della bassa forza peso e della spinta di Archimede. Dato che l'Atmosfera in condizioni standard è un sistema stabile, almeno su base locale, per formare una nube c'è bisogno che intervenga un'azione forzante esterna, che costringa il vapore acqueo a condensare in goccioline di nubi. Questa azione esterna può avvenire in diversi modi:

  • Sollevamento orografico: le nubi sono costrette dal flusso al passaggio sopra una catena montuosa; nella salita l'aria si raffredda dato che si espande e quindi tende a condensare.
  • Sollevamento frontale: il contrasto di masse d'aria molto fredde e molto calde provoca delle risalite molto repentine di aria calda.
  • Convergenza di aria: la presenza di basse pressioni al suolo richiama aria da aree circostanti, il sollevamento forzato dalla convergenza produce la condensazione

Questi sono i principali meccanismi di formazione delle nubi nei mesi invernali, periodi in cui il riscaldamento del suolo è molto ridotto. Viceversa in Estate si aggiunge alla lista un quarto modo di formazione delle nubi, il più importante e vigoroso:

  • Convezione

Il riscaldamento del terreno provoca dapprima il mescolamento di uno strato a contatto con il terreno e successivamente la risalita di una bolla d'aria. Infatti l'aria calda tende ad essere meno densa dell'ambiente circostante e quindi tende a salire, aiutata dalla spinta di Archimede. A questo punto la bolla d'aria in risalita ha due opzioni:

  1. se l'ambiente circostante è costantemente più freddo della particella, questa tenderà a salire fino a che la differenza di temperatura diventerà nulla.
  2. appena la particella raggiunge la temperatura dell'ambiente si fermerà e, eventualmente, tenderà nuovamente a scendere o andrà incontro ad oscillazioni per raggiungere l'equilibrio.

La risalita intrapresa dalla particella dipende ovviamente dalle condizioni ambientali che si sono formate nei giorni precedenti: la stagnazione di aria fredda nei bassi stati unita ad una vigorosa inversione negli altri strati favorirà la risalita della particella. Ovviamente più le condizioni per la risalita sono favorevoli, maggiore sarà la possibilità di formazione di nubi cumuliformi. Queste sono infatti le tipiche nubi associate ad una forte risalita di aria più calda in aria saturata di vapore.

Un cumulo molto esteso in stadio di formazione

Se il riscaldamento della superficie continua e le condizioni sono favorevoli il cumulo potrà assumere dimensioni notevoli, come nella foto precedente, e sviluppare precipitazione, anche a carattere temporalesco (non ci soffermeremo anche sulla spiegazione di questo fenomeno che richiede molta fisica). A questo punto la domanda sorge spontanea: come è possibile ottenere una probabilità numerica che indichi la possibilità di formazione di cumuli molto estesi e quindi anche di temporali? Per questo ci vengono in aiuto i radiosondaggi ovvero misure di temperatura, pressione, umidità, vento fatte a tutte le altitudini, utilizzando palloni atmosferici lanciati da una stazione apposita. Passiamo quindi ad analizzare subito il radiosondaggio di ieri mattina nei pressi di Roma, dove si sono sviluppati forti temporali pomeridiani.

Il Radiosondaggio per Pratica di Mare (RM) la mattina del 19 luglio 2013

Il Radiosondaggio per Pratica di Mare (RM) la mattina del 19 luglio 2013

Senza addentrarci nei dettagli fisici, possiamo notare che le linee nera e verde rappresentano rispettivamente la temperatura e la temperatura di rugiada misurate dell'aria. La linea rossa mostra invece il percorso che sarebbe seguito da una particella fatta salire in modo da non scambiare calore con l'ambiente e senza condensare. Il fatto che la linea nera sia, per un lungo periodo, sotto a quella rossa indica che la particella in salita, a causa del riscaldamento del terreno, si troverà sempre in una condizione instabile e tenderà quindi a salire fino a quando le due linee si uniranno di nuovo. L'area tra le due linee ci fornisce quindi un'indicazione di quanto l'aria sia instabile e incline quindi alla formazione di temporali. Un indice utilizzato spesso in questi casi è il CAPE che vediamo avere un valore di circa 2000 J/kg nell'immagine. Ecco perchè ieri abbiamo assistito alla formazione di molti temporali sul Centro Italia, che si erano già sviluppati nella mattina, come mostrato nella seguente immagine.

Un'immagine dal Satellite Polare TERRA in passaggio intornoalle 10 di mattina sulle regioni del Centro Italia.

Un'immagine dal Satellite Polare TERRA in passaggio intorno alle 10 di mattina sulle regioni del Centro Italia.

Ovviamente le spiegazioni date sono del tutto qualitative; servirebbe molto più formalismo e spiegazioni accurate ma ho cercato di fare un tentativo e mettere insieme gli aspetti più importanti nel modo più semplice possibile.

Il problema delle previsioni Meteorologiche

Immaginiamo di voler misurare la velocità di una macchina che percorre i 200 km di autostrada che separano Milano da Bologna. Supponiamo inoltre di poter ottenere la velocità solo conoscendo, tramite appositi orologi, il tempo di partenza da Bologna e l’arrivo a Milano. La velocità ottenuta dividendo lo spazio percorso (200 km) per il tempo che intercorre tra la partenza e l’arrivo (la misura) è la velocità media. Conoscendo la velocità media non ci è dato sapere se vi siano state improvvise accelerazioni durante il viaggio o se addirittura vi sia stata una fermata all’Autogrill: non è possibile dedurre informazioni a scala più piccola di quella relativa alle condizioni agli estremi. 

Questo semplice esempio che sembra avere poco a che fare con l’Atmosfera  esprime invece quali siano le difficoltà nell'effettuare previsioni meteorologiche.

Queste utilizzano equazioni matematiche (modelli) che sono in grado di prevedere i cambiamenti nel tempo di temperatura, pressione… di una certa massa d’aria. Come ogni problema di evoluzione temporale è necessario imporre una condizione iniziale (nell’esempio della macchina la posizione o il tempo di partenza da Bologna) dalla quale partire per prevedere l’evoluzione del sistema. In altre parole il problema della previsione meteorologica è un problema deterministico ai valori iniziali

Per poter prevedere la situazione in una certa città o zona è necessario conoscere le condizioni attuali sempre nello stesso punto, ad ogni altitudine che consideriamo rilevante per l’evoluzione delle masse d’aria. Si dovrebbe  quindi costruire una rete di rilevazione che copra istantaneamente ogni punto nel quale si vuole conoscere l’evoluzione del tempo: quest’ipotesi è semplice utopia, considerando l’impegno sperimentale  ed il costo associato; esiste pure il problema degli errori strumentali che condizionano sicuramente il metodo di indagine.

Anche se negli ultimi anni i satelliti sono stati molto utili nel risolvere questo tipo di copertura, lo strumento più efficiente ed affidabile è e rimane la radiosonda: in alcuni punti sul globo, considerati rappresentativi (o semplicemente comodi), vengono lanciati ogni giorno dei palloni atmosferici che salendo fino ad una certa altitudine registrano ad ogni altezza temperatura, pressione, velocità del vento... I dati verranno poi utilizzati nei modelli matematici come condizioni iniziali. Il problema fondamentale di questi radiosondaggi è la copertura che riescono a garantire: Bologna e Milano rappresentano, non a caso, la distanza minima tra due stazioni diverse. Avere dati diversi tra Bologna e, ad esempio, Reggio Emilia non è possibile. In Italia esistono non più di 10-15 stazioni diverse che effettuano questo tipo di radiosondaggi, mentre le stazioni meteo al suolo sono molte di più ma non servono allo scopo.

Il problema si pone quindi nei termini seguenti : come è possibile ottenere delle previsioni che abbiano un dettaglio maggiore dei dati che forniamo in ingresso? Come è possibile conoscere la velocità della macchina a Reggio Emilia se conosciamo solo la velocità media nel tragitto Bologna-Milano?
Per questo le previsioni per ogni città a cui molti siti- in cerca di soldi facili- ci hanno da anni abituato non sono quasi mai corrette! Le previsioni sono realistiche se fatte su macroaree “Domani in Val Padana piovaschi isolati” e non su aree localizzate “Domani acquazzoni nella zona Ovest di Bologna”.  Ad oggi è quasi impossibile avere questo tipo di dettaglio a causa della limitata potenza dei mezzi di misura. O almeno è impossibile averla con un margine di errore molto basso. Tanto più che la maggior parte dei fenomeni meteorologici sulla nostra penisola sono dovuti all’interazione dell’aria con la caratteristica e peculiare (al mondo!) orografia del sito, che varia tra il mare e la montagna nel raggio di pochi km: queste scale non sono risolvibili con previsioni a lungo raggio temporale.

Ci sono poi altri aspetti da sottolineare, ma il più importante è la valutazione degli errori. Le equazioni prima utilizzate dai modelli non sono semplici da risolvere; pur con molte approssimazioni non sono infatti risolvibili analiticamente. Questo significa che non è possibile trovare in alcun modo una soluzione ESATTA che risolva le equazioni. L’unico metodo possibile è quello di cercare, con l’ausilio di computer, le soluzioni numeriche che approssimino la soluzione corretta, che non conosciamo. Il computer provvede, date le equazioni che abbiamo derivato, ad aggiungere ogni volta un piccolo intervallo temporale (secondi, minuti, ore..) e a calcolare il risultato di temperatura, pressione, vento. D’altra parte i computer eseguono calcoli sempre con una certa approssimazione. Sarebbe impossibile memorizzare infatti il risultato di una divisione, che ha infinite cifre dopo la virgola: servirebbe una memoria (quasi) infinita. Nei calcoli si adoperano approssimazioni che si traducono in approssimazioni nelle previsioni.

In definitiva, prima di affermare “questo sito non ci becca mai, ieri alle 11 pioveva a Bologna mentre le previsioni sul sito XX mettevano nuvoloso!” sarebbe meglio ragionare un momento. La Fisica è un tentativo di approssimare la Verità, la Matematica è il suo strumento, ma insieme approssimano solo la realtà che è sottoposta a legge più complesse di quanto l’equazione più complessa possa esprimere.

Ultime informazioni

Visto che oggi mi sono dedicato alla riorganizzazione (ahimè) del sito, approfitto dell'occasione per fare qualche considerazione.

  1. Ho saputo che i miei appunti vengono utilizzati e scaricati, soprattuto dagli studenti di Fisica (grazie grazie grazie!). Oltre a riempirmi d'orgoglio, la cosa mi fa pensare a tutti gli errori che ci sono sugli appunti e che io non ho ancora visto. Non mi è mai arrivata una mail che evidenziasse qualche errore sugli appunti pubblicati: scrivete, scrivete, scrivete.. Solo così potremmo lasciare ai posteri contenuti sempre migliori.
  2. Per chi segue la parte meteo avrà notato che la stazione di Calci ogni tanto registra dati anomali. Tali dati sono dovuti, purtroppo, alla messa a terra dell'apparecchio (fatta male) e quindi a scariche spurie presenti sulla linea. Ogni 3 o 4 giorni controllo i dati ed elimino dagli archivi i dati sballati quindi se consultate gli archivi (che, vi ricordo, potete consultare portando il mouse su METEO e successivamente sulla stazione di cui volete consultare gli archivi) troverete dati accurati.
  3. Potete, in ogni momento, commentare articoli, pagine o qualsiasi cosa in questo sito utilizzando il form che sta a fondo pagina (se non lo vedete scorrete, scorrete che sicuramente vi è sfuggito). Qualche commento aiuterebbe a farmi capire che non spendo tutto il tempo, tra scrittura appunti, raccolta dati e organizzazione del sito web, invano.

Grazie per la fiducia. Buono studio a chi studia (me compreso) e buon lavoro a chi lavora.

E come al solito, W LA NEVE, W L'INVERNO!

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La mia gatta, o l'emblema della nullafacenza per antonomasia. Lo spazzolamento come attività preferita.

Stazione di calci offline

Come già successo poco tempo fa la stazione di Calci è stata nuovamente bersaglio di fulmini che hanno danneggiato la strumentazione. Il ricambio è già in viaggio, il danno è stato meno grave del previsto.

Il nuovo invio dei dati è previsto per la settimana prossima.

Aggiunti appunti di Fisica dell'Atmosfera e Meteorologia

Mi sono preso questo piccolo impegno di scrivere ed elaborare alcuni brevi appunti  (max 10 pagine) in cui commento e svolgo argomenti di Fisica dell'Atmosfera e/o Meteorologia che mi sono interessati. L'idea è quella di scriverne ogni tanto uno nuovo e rendere così la sezione sempre più completa di idee. Li trovate sempre nella pagina degli Appunti, in fondo.

Ovviamente vale sempre la solita precauzione, scrivetemi per correzioni! Nella prima versione gli appunti saranno un po' scarni ma conto di aggiungere immagini ed approfondimenti via via col tempo..

Passate a dare un'occhiata anche alla nuova galleria delle foto di Bologna.

Il mio blog

Benvenuti nel mio nuovo sito, nuovo di zecca aggiungerei.

Grazie all'aiuto di un santo sono riuscito a rinnovare la grafica e a rendere la navigazione più piacevole ; nel giro di qualche giorno ripristinerò tutte le funzioni di base!

Buon surfing

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