LA COSPIRAZIONE DELLE SCIE CHIMICHE – METEO

Sommario

 


2. METEO
L’atmosfera è la massa gassosa che avvolge la Terra e la segue nei suoi movimenti di rotazione e di rivoluzione. Essa è vincolata al pianeta dalla forza di gravità cui sono soggette anche le particelle gassose, che altrimenti tenderebbero a disperdersi nello spazio siderale. Di conseguenza, l’atmosfera ha densità decrescente dal livello del suolo fino ai limiti dell’attrazione terrestre. A causa della forza centrifuga generata dalla rotazione terrestre e delle differenze di temperatura – indotte dal diverso irraggiamento solare – , l’atmosfera subisce un continuo rimescolamento che porta le particelle d’aria a spostarsi sia orizzontalmente che verticalmente. I fenomeni meteorologici che si manifestano nell’atmosfera sono generati da questi moti dell’aria e dal fatto che quest’ultima contiene sempre una certa quantità di vapore acqueo, proveniente dalle superfici degli oceani e dai cicli vitali degli esseri viventi. Il vapore acqueo, pur essendo più leggero dell’aria, si trova solo negli strati più bassi dell’atmosfera poiché salendo condensa, per poi ricadere sulla superficie del pianeta sotto forma di acqua allo stato liquido o solido. In questa sezione verranno analizzati brevemente la composizione e la struttura dell’atmosfera e le grandezze fisiche che la caratterizzano: pressione, temperatura e umidità. La conoscenza di questi elementi e la corretta comprensione delle loro interazioni sono essenziali per capire come si manifestano e si evolvono i diversi fenomeni meteorologici che interessano il volo.

LA STRUTTURA DELL’ATMOSFERA
L’aria è un miscuglio di diversi gas: tra essi l’azoto ( 78%) e l’ossigeno (21%) sono preponderanti. Come già detto, l’aria contiene inoltre una certa quantità di vapore acqueo, che va da percentuali trascurabili fino al 5% in volume. Al crescere della quantità di vapore presente nell’aria, le percentuali degli altri gas diminuiscono proporzionalmente (questo fatto assume particolare rilevanza nelle prestazioni dei motori, la cui capacità di erogare potenza è funzione della quantità di ossigeno disponibile per la combustione). L’atmosfera può essere divisa in diversi livelli verticali determinati dal verificarsi di determinati fenomeni o variazioni di grandezze fisiche. In base a quanto stabilito dall’Organizzazione Meteorologica Mondiale o WMO (World Meteorological Organization), con cui l’ICAO opera in stretta collaborazione, l’atmosfera si estende verticalmente dalla superficie terrestre fino a circa 100 km.
Lo strato più basso, a contatto con la superficie terrestre, si chiama troposfera, e si estende per un’altezza variabile da circa 8.000 metri sulla verticale dei poli, fino a 20.000 metri sulla verticale dell’equatore. Caratteristica della troposfera è la diminuzione di temperatura che si verifica in modo più o meno uniforme dalla superficie terrestre fino alle quote sopra citate. La troposfera è una massa d’aria di forma ovale che circonda la Terra, contenuta da una sottile superficie chiamata tropopausa, lungo la quale la temperatura dell’aria cessa di diminuire dopo aver raggiunto il valore medio di -56,5°C, e si mantiene pressoché costante per buona parte dello strato superiore chiamato stratosfera.
L’altezza della tropopausa varia in funzione del calore posseduto dall’aria sottostante. Per questa ragione è maggiore d’estate che non d’inverno, ed è maggiore all’equatore che non ai poli. La maggiore altezza della tropopausa all’equatore è dovuta anche alla forza centrifuga generata dalla rotazione terrestre. Il comportamento dell’atmosfera negli strati che si trovano oltre la stratosfera non interessa i piloti, dato che i fenomeni meteorologici e i voli con gli aeromobili hanno luogo nella troposfera, e interessano solo marginalmente la porzione inferiore della stratosfera.

LE NUBI
Le nubi e le nebbie sono masse di piccolissime goccioline d’acqua (o di aghetti di ghiaccio se la temperatura è sotto lo zero termico), che si formano per condensazione o per sublimazione del vapore acqueo presente nell’aria. La condensazione dà alternativamente luogo a nebbie o a nubi a seconda che il fenomeno si manifesti al livello del suolo oppure a una certa quota al di sopra di esso. Ogni gocciolina si forma intorno a un nucleo solido, detto nucleo di condensazione, che può essere un granello di polvere, di carbone proveniente da una combustione o un piccolo cristallo di sale sulla superficie del mare, ma che deve comunque essere presente, altrimenti la condensazione non può aver luogo. Se una massa d’aria povera di nuclei diventa satura senza che in essa possa aver luogo la condensazione, si dice che è sovrasatura.
Al contrario, se i nuclei di condensazione sono molto numerosi il valore minimo dell’umidità relativa necessaria perché abbia luogo la condensazione può scendere anche al 75%. Le goccioline e i cristallini che formano le nubi hanno dimensioni piccolissime, dell’ordine del centesimo, o al più del decimo di millimetro, e perciò riescono a “galleggiare” nell’aria, a essere respinti verso l’alto dalle correnti ascendenti oppure a rievaporare o sublimare scendendo a temperature maggiori. Essi cadono al suolo sotto forma di precipitazioni quando, per aggregazione, raggiungono dimensioni e peso che non permettono più il loro sostentamento.
Le nuvole vengono sostenute nell’atmosfera dai movimenti verticali dell’aria, si trasformano continuamente e si presentano in una lunga serie di forme e dimensioni.
Le quattro principali sono i Cirri, i Cumuli, gli Strati, e i Nembi, così come sono stati classificati dal naturalista britannico Luke Howard e ufficializzati nella conferenza meteorologica internazionale di Monaco di Baviera nel 1891.

LE NUBI E LA NUVOLOSITA’
Le nubi si formano quando una massa d’aria sale e si raffredda fino a raggiungere la temperatura di rugiada in condizioni adatte alla condensazione. Le cause principali che possono indurre il sollevamento di una massa d’aria sono:
– il suo riscaldamento disuguale, come nel caso dei moti convettivi;
– il suo incontro con rilievi del terreno, come nel caso dello Stau e dell’onda stazionaria;
– il suo incontro con un’altra massa d’aria di temperatura diversa, come nel caso dei fronti.

L’UMIDITA’
L’atmosfera terrestre è in continuo rimescolamento a causa delle diverse temperature a cui si trova l’aria che la compone. Però, oltre alle correnti verticali e ai venti, nessun altro fenomeno avrebbe luogo nell’atmosfera se essa non contenesse sempre, in quantità più o meno elevate, il vapore acqueo, cioè acqua nel suo stato aeriforme.
Come tutti gli elementi chimici e i loro composti, anche l’acqua si può trovare allo stato solido, liquido, e aeriforme. Causa dei cambiamenti di stato sono le variazioni della pressione e della temperatura: tutti sappiamo, per esempio, che alla pressione atmosferica esistente al livello del mare, l’acqua solidifica a 0°C e bolle a 100°C, mentre questi valori della temperatura variano al variare della pressione. I cambiamenti di stato sono la fusione (da solido a liquido), l’evaporazione (da liquido ad aeriforme), la condensazione (da aeriforme a liquido), la solidificazione (da liquido a solido), e la sublimazione (da solido ad aeriforme e viceversa). Durante ogni cambiamento di stato si verifica sempre anche uno scambio di calore, detto calore latente, fra l’elemento che cambia stato e l’ambiente circostante. Ciò che interessa particolarmente ai fini meteorologici è che, durante il passaggio da liquido a vapore, l’acqua assorbe dall’ambiente circostante una grande quantità di calore, il calore latente di vaporizzazione, pari a 589 chilocalorie per ogni chilogrammo d’acqua evaporato alla temperatura di 15°C. Questa energia calorifica immagazzinata dal vapore durante il cambiamento di stato, viene totalmente restituita all’ambiente durante il processo inverso, cioè durante la condensazione. Il vapore passa nell’atmosfera dalle superfici degli oceani e degli specchi d’acqua in generale, nonché dalla vegetazione e dagli altri esseri viventi sulla Terra. L’energia necessaria all’evaporazione viene naturalmente fornita dal Sole. Prima di proseguire, riteniamo necessario un chiarimento: il vapore d’acqua è un gas perfettamente trasparente alla luce, e quindi non si vede. Non si commetta pertanto l’errore, assai diffuso, di affermare che le nubi, o ciò che si vede uscire da una pentola in ebollizione, o da una vaporiera, siano vapore: si tratta invece di minutissime goccioline d’acqua già allo stato liquido e perciò visibili. L’umidità si misura mediante gli igrometri, che possono essere psicrometrici, o psicrometri, a capelli e a condensazione.

L’umidità può essere espressa in tre diversi modi: umidità assoluta, umidità specifica, e umidità relativa.

– L’umidità assoluta
È la quantità di vapore, espressa in grammi, contenuta in un metro cubo d’aria (gr/m3). Rappresenta la densità, o concentrazione, del vapore acqueo in un miscuglio di vapore acqueo e di aria secca.
E’ una grandezza poco usata in quanto, essendo funzione del volume, varia al variare dello stesso, ed è perciò in molti casi difficilmente misurabile e continuamente variabile.

– L’umidità specifica
È la quantità di vapore, espressa in grammi, contenuta in un chilogrammo di aria (gr/kg). Essendo ottenuta dal rapporto tra la massa di vapore acqueo e la massa di aria umida che lo contiene, rappresenta la concentrazione di massa, o contenuto di vapore.
Viene impiegata al posto di quella assoluta per esprimere l’umidità di una massa d’aria in movimento verso l’alto, quando la sua densità è in continua diminuzione, e perciò uno stesso volume contiene sempre meno aria, mentre un chilogrammo rimane sempre tale, qualunque sia la variazione della densità.

– L’umidità relativa
L’umidità relativa è il rapporto percentuale fra la quantità di vapore contenuto in una massa d’aria e la quantità massima che la stessa massa ne può contenere, a parità di temperatura e pressione. L’umidità relativa rappresenta perciò anche il rapporto espresso in per cento tra l’umidità specifica effettiva e l’umidità specifica massima dell’aria alla stessa temperatura.
Cerchiamo di chiarire meglio questo rapporto, che è fondamentale per comprendere il verificarsi di certi fenomeni meteorologici. Supponiamo di prendere una massa d’aria qualunque, per esempio quella contenuta in una stanza, e, mantenendone costante la temperatura, di immettervi vapore acqueo (usando, ad esempio, un vaporizzatore); si noterà che per un po’ di tempo l’aria continuerà ad assorbire il vapore immesso, ma ad un certo punto sulle pareti si formerà un velo d’acqua liquida e la stanza si riempirà di nebbia. Ciò avviene perché l’aria della stanza è diventata satura, cioè contiene tutta l’umidità che può contenere, e quella che si continua a immettere viene “espulsa” sotto forma di acqua allo stato liquido.

Quando una massa d’aria si satura, la sua umidità relativa è del 100%, in quanto il rapporto fra l’umidità contenuta e la massima contenibile è uguale a 1. La temperatura dell’aria alla quale si verifica la saturazione in condizioni di pressione e di quantità di vapore costanti, si chiama temperatura del punto di rugiada (td), o, più semplicemente, punto di rugiada. La temperatura di rugiada è tanto più bassa quanto più l’aria è secca. Se la temperatura di rugiada è al di sopra del punto di congelamento, quando l’aria si satura si ha condensazione in forma di nebbia o rugiada, mentre se è al di sotto si ha sublimazione in forma di cristalli di ghiaccio che danno origine alla brina.
Se ora torniamo alla stanza piena di nebbia e ne innalziamo la temperatura, notiamo che la nebbia si dissolve e l’acqua sulle pareti evapora. Ciò succede perché, innalzando la temperatura dell’aria, pur avendo lasciata invariata la quantità di acqua presente, si è accresciuta la capacità dell’aria di contenere vapore. In altre parole si è abbassata l’umidità relativa al di sotto del 100%, e l’aria non è più satura.
Concludendo, per far raggiungere la saturazione a una massa d’aria si possono seguire due vie.

La prima consiste nell’immettere nuovo vapore nell’aria, e in tal caso si aumenta il rapporto:

vapore contenuto
Ur = —————————————–
vapore massimo contenibile

facendo crescere il valore al numeratore.

La seconda consiste nel raffreddare la massa d’aria lasciando invariata la quantità di vapore esistente; in tal caso, siccome la quantità massima di vapore contenibile varia in modo direttamente proporzionale alla temperatura dell’aria, si fa raggiungere il valore 1 al rapporto, facendone diminuire il denominatore. Col seguente esempio numerico pensiamo di poter chiarire definitivamente il fenomeno. Un metro cubo d’aria alla temperatura di 20°C, contenendo 10 grammi di vapore, ha un’umidità relativa del 50%. Lo stesso metro cubo d’aria contenente gli stessi 10 grammi di vapore, se portato alla temperatura di 10°C diventa saturo, cioè la sua umidità relativa diventa del 100%, e la temperatura di 10°C costituisce la temperatura di rugiada (valori approssimati).
L’umidità relativa è chiamata anche stato igrometrico dell’aria, poiché ne rappresenta il grado di saturazione.
Quanto minore è l’umidità relativa, tanto più l’aria è secca, e quindi suscettibile di favorire l’evaporazione e ricevere altro vapore; viceversa, quanto maggiore è l’umidità relativa, tanto più l’aria è umida, e quindi tanto minore è la sua capacità di favorire l’evaporazione e di ricevere altro vapore.

Prosegui con la parte 3 – Motoristica

2006-10-24