Scienze della Terra per le superiori/Le previsioni del tempo


Per fornire le previsioni del tempo gli esperti utilizzano una scienza chiamata "meteorologia"

La meteorologia è il ramo delle scienze dell'atmosfera e delle scienze della Terra che studia i fenomeni fisici che avvengono nell'atmosfera terrestre (troposfera) e responsabili del tempo atmosferico.

In particolare lo studio dell'atmosfera è lo studio sia sperimentale dei suoi parametri fondamentali (temperatura dell'aria, umidità atmosferica, pressione atmosferica, radiazione solare, vento), attraverso l'uso di osservazioni e misurazioni dirette e indirette a mezzo di stazioni meteorologiche, palloni, sonde, razzi e satelliti meteorologici equipaggiati della necessaria strumentazione, sia teorico, facente cioè uso dell'astrazione propria del linguaggio della fisica matematica per la quantificazione delle leggi fisiche o processi (appartenenti alla fisica dell'atmosfera) che intercorrono tra essi.

I due approcci confluiscono nel risultato finale ovvero l'ideazione, l'implementazione e l'inizializzazione di modelli matematici in grado di ottenere una previsione o prognosi a breve scadenza dei vari fenomeni atmosferici (nubi, perturbazioni, vento, precipitazioni tramite i cosiddetti modelli meteorologici) su un dato territorio (previsione del tempo).

Storia della meteorologia modifica

Lo sviluppo della meteorologia modifica

 
Rappresentazione di venti e meteorologia in una tavola degli Acta Eruditorum del 1716

Il fisico francese Gaspard Gustav de Corolis introdusse il concetto di accelerazione complementare e della corrispondente forza “apparente”, forza che agisce perpendicolarmente al moto, con conseguente effetto deviante sul moto stesso.

Il fisico americano William Ferrel applicò la teoria di de Corolis ai fluidi, giustificando così la curvatura delle correnti aeree intorno ai centri di alta e di bassa pressione: la meteorologia entrò così nel dominio della dinamica dei fluidi.

Nel decennio 1880-1890 il fisico e matematico Hermann von Helmholtz, partendo dalla forma euleriana delle equazioni generali dell’idrodinamica, intraprese lo studio analitico delle condizioni di equilibrio della superficie di separazione tra masse d’aria e utilizzò il concetto di instabilità idrodinamica per spiegare l’origine dei fronti e delle depressioni; formulò inoltre il primo principio della termodinamica nel 1847: “l'energia di un sistema termodinamico non si crea né si distrugge, ma si trasforma, passando da una forma a un'altra.”

Parallelamente agli sviluppi della fisica dell’atmosfera, nel  XIX sec. progredì lo studio statistico delle principali grandezze meteorologiche: temperatura, pressione e poi tempeste e cicloni.

L’ingegnere americano William Redfeld elaborò la teoria sulla natura vorticosa ed il verso di rotazione dei venti nei cicloni, in senso antiorario nell’emisfero boreale ed in senso orario nell’emisfero australe.

Alla teoria di Redfield delle tempeste cicloniche, si contrappose una basata sulla convezione e sul moto centripeto formulata dal connazionale James Pollard Espy: egli ipotizzò un forte moto ascendente al loro centro, in corrispondenza del minimo di pressione, che conseguentemente richiama aria da tutte le direzioni, ignorando l’effetto della forza deviante dovuta alla rotazione terrestre.

Il meteorologo tedesco Heinrich Wilhelm Dove e l’ammiraglio inglese Robert Fitzroy approfondirono lo studio sullo sviluppo dei cicloni concludendo che i cicloni si sviluppano proprio al confine tra le correnti di origine polare, fredde e secche, e quello caldo-umide di origine tropicale, e sono organizzati in famiglie.

L’inglese Francis Galton nel 1863 scoprì i caratteri peculiari dell’anticiclone e cioè il predominio di venti deboli  al centro, la loro rotazione oraria ed il movimento subsidente della colonna d’aria.

L’inglese Ralph Abercromby aggiungerà ai due tipi o sistemi barici di Galton altri 5 secondari:

  • promontorio o cuneo: area di alte pressioni che, con isobare generalmente tondeggianti o ad angolo acuto, si protende da un anticiclone verso una zona di basse pressioni;
  • saccatura: corridoio di basse pressioni che con isobare ad angolo acuto si protende da un’area depressionaria;
  • ciclone secondario: centro secondario di bassa pressione;
  • sella: area di relative basse pressioni compresa tra due anticicloni e due depressioni
  • pendio: zona caratterizzata da pressione regolarmente decrescente e delimitata da isobare pressoché rettilinee e parallele.
     
    Cartina meteorologica dell'Europa, 10 dicembre 1887.

La nascita della meteorologia sinottica. modifica

Si deve al padre della chimica moderna, Antoine-Laurent de Lavoiser, l’intuizione di poter rappresentare i dati meteorologici, in particolare la pressione, la temperatura e la velocità e direzione del vento, osservati in maniera sincrona e con grande precisione, su una mappa geografica, al fine di prevederne con anticipo di 24-48 ore la probabile evoluzione. Egli pose così le basi allo sviluppo scientifico di una nuova meteorologia: la meteorologia sinottica. Nell'ottobre del 1790 egli enuncia le regole per preveder i cambiamenti del tempo in funzione delle variazioni barometriche e si adopera per promuovere una campagna per la creazione di una rete mondiale di stazioni meteorologiche, barometriche in primo luogo, tra loro collegate ed operanti in modo rigorosamente sincrono. Nel 1843, vengono prodotte le prime mappe del tempo

Tipologie di previsioni meteorologiche modifica

Esistono vari tipi di previsioni meteorologiche divise in due grandi gruppi: previsioni in base alla dimensione dell’area considerata e previsioni in base all’intervallo temporale di prognosi

Tipologie in base alla dimensione dell'area considerata modifica

  • locali
  • regionali
  • nazionali
  • continentali
  • globali

Tipologie in base all'intervallo temporale di prognosi modifica

  • nowcasting (meno di 6 ore)
  • a breve termine (1-5 giorni)
  • a medio termine (1-3 settimane)
  • a lungo termine (1 mese)
  • stagionali (1-6 mesi)

Previsioni nowcasting modifica

Previsione del tempo atmosferico a brevissimo termine (0-6 ore). In questo periodo di tempo il previsore umano esperto è spesso in grado di migliorare l’accuratezza delle previsioni derivate dai modelli dine numerica. Ciò è possibile facendo un uso accorto dell’osservazione delle condizioni meteorologiche in atto (la persistenza dei fenomeni), soprattutto grazie alla disponibilità di molteplici sistemi di telerilevamento. Questi sistemi consentono di identificare i fenomeni meteorologici in atto (strutture convettive, bande di precipitazione, sistemi frontali ecc.) e, tramite le sequenze delle immagini e adeguati modelli interpretativi, di estrapolarne il comportamento nelle ore successive. Oltre le 6 ore di scadenza della previsione, il comportamento fortemente non lineare dell’atmosfera rende in genere inapplicabili le tecniche di nowcasting e comporta la necessità di fare uso di modelli di previsione numerica.

È una tecnica spesso empirica e con buoni risultati che mette a frutto le conoscenze specifiche acquisite da meteofili e meteorologi professionisti sui microclimi locali, sull'influsso dell'orografia ecc. laddove non si ha disponibilità di "run" da parte dei modelli meteorologici all'interno dell'intervallo di acquisizione tra due corse del modello stesso o come controllo e correzione dei possibili errori da parte dei modelli stessi.

Essa va dunque di pari passo con l'osservazione immediata in tempo reale delle condizioni atmosferiche e fa uso di strumenti e informazioni meteorologiche opportune quali dati forniti da stazioni meteorologiche sulla superficie terrestre, radiosondaggi verticali atmosferici, radar meteorologici, osservazioni libere, immagini da satellite, circolazione atmosferica locale ecc..

In questo intervallo temporale ad esempio è possibile prevedere caratteristiche minori come singoli rovesci e temporali con ragionevole accuratezza, nonché altre caratteristiche troppo piccole per essere risolte da un modello matematico. Un previsore dotato dei più recenti dati radar meteorologici, satellitari ed osservazionali sarà in grado di fare una migliore analisi delle caratteristiche presenti a scala ridotta e potrà così effettuare una più accurata previsione per le ore successive.

La tecnica è particolarmente utilizzata sia a livello amatoriale sia nella prevenzione di eventi meteorologici estremi quali appunto temporali, alluvioni, uragani, tornado da parte di esperti del settore per pubblica sicurezza monitorando il ciclo idrogeologico. Assume importanza anche in tutte le attività che traggono vantaggio dalla conoscenza dello stato dell'atmosfera nell'immediato futuro come ad esempio la nautica, l'escursionismo, gare sportive all'aperto, pianificazione di eventi, assistenza al volo aereo (meteorologia aeronautica) ecc.

Previsioni a breve termine modifica

La previsione a breve termine (1-5 giorni) si basa sui modelli matematici di tipo deterministico (globali, come l'americano GFS o l'europeo ECMWF e locali, come il nostro WRF ad alta risoluzione). Cioè elaborano una singola simulazione dei parametri meteorologici partendo dallo stato iniziale dell’atmosfera. Simulazione che avviene attraverso la soluzione di una serie di equazioni che descrivono le leggi fisiche dell’atmosfera. L’interpretazione del modello da parte del previsore è fondamentale, infatti per quanto corrette possano essere le condizioni iniziali non saranno mai totalmente aderenti alla realtà, da qui la necessità di correggere il modello laddove l’esperienza del previsore lo ritenga necessario, in base alla conoscenza delle caratteristiche dello stesso.

Previsioni a medio termine modifica

La previsione a medio termine necessita di tecniche di tipo probabilistico che forniscono, oltre allo scenario più probabile anche l'incertezza associata. Il principio di fondo delle previsioni probabilistiche è che non viene fatta solo una singola previsione a partire da quella che si ritiene la migliore condizione iniziale dell'atmosfera, ma vengono create opportunamente tante condizioni iniziali leggermente diverse tra loro. Si lanciano così differenti "corse" (deterministiche) che mostreranno evoluzioni più o meno differenti. I risultati, chiamati "membri" (che generano graficamente i cosiddetti "spaghetti"), possono essere o raggruppati tramite tecniche statistiche in gruppi simili (clusters), oppure possono essere mediati fornendo la dispersione rispetto ad un valore climatologico (ensemble mean). Più sono i risultati "concordi" verso una certa soluzione, maggiori probabilità avrà di realizzarsi proprio quella soluzione e quindi si ha un minor grado di incertezza.

Previsioni a lungo termine modifica

Le previsioni a lunga scadenza costituiscono l’ultima frontiera della meteorologia nel settore delle previsioni operative. Sono il risultato di una filiera articolata di processi che sono resi possibili grazie all’impiego di potenti calcolatori elettronici, di complessi modelli fisico-matematici che simulano più volte contemporaneamente (ensemble) il comportamento del Sistema atmosfera-oceano, ma anche dell’elaborazione di un massiccio flusso di dati meteo-marini.

Previsioni stagionali modifica

Le previsioni stagionali, molto sperimentali, cercano di anticipare la tendenza climatica a 1-6 mesi, anche qui con l'ausilio di tecniche e modelli fisico-matematici. La previsione comincia con l'interpretazione di una serie di indici climatici e delle teleconnessioni (indicatori solari, stratosferici e troposferici, oceanici...) e il loro andamento pregresso. Poi si procede con l'individuazione delle interazioni tra i vari indici e successivamente alle possibili ripercussioni sulle circolazioni atmosferiche prevalenti nei mesi considerati. In più, si possono seguire modelli climatologici specifici, come il CFS.

Strumenti per le previsioni modifica

Termometro, igrometro, barometro, pluviometro, anemometro e grelimetro sono alla base delle moderne previsioni del tempo, pur essendo stati inventati durante il '400.

Il termometro permette di avere informazioni circa la temperatura dell'aria, massime e minime.

Esistono vari tipi di termometro: il termometro classico a mercurio, che indica la temperatura circostante in Celsius o Fahrenheit, termometro minima/massima: è un termometro costituito da due colonnine di mercurio con indicate le temperature massime da un lato, minime dall’altro, giornaliere, termografo: è un tipo di termometro meccanico che registra su carta grazie a un pennino, le variazioni di temperatura dell’aria, il termometro da suolo: misura la temperatura al livello del terreno e il termometro elettrico: i più affidabili dispongono di una sonda metallica, che, esposta all'aria, mostra sullo schermo elettronico del termometro la misurazione in decimi di grado.

L'igrometro fornisce dati sull'umidità dell'aria.

Il barometro rileva la pressione dell'aria, dato molto importante per le previsioni meteo.

Il pluviometro dà informazioni riguardo a quanta pioggia è caduta e l'anemometro rileva direzione e velocità del vento.

Il grelimetro misura la grandezza della grandine, è composto da un pannello di polistirene ricoperto da un foglio di alluminio cosicché quando la grandine cade su di esso, lascia degli incavi che poi verranno ispezionati per capirne la grandezza e la quantità.

Molto importante è anche lo schermo di Stevenson: detta anche capannina meteorologica, fornisce l’ambiente adatto per misurare con precisione temperatura e umidità. È dipinto di colore bianco per limitare il riscaldamento del sole al suo interno, dove si trovano sempre gli strumenti descritti precedentemente, ma accompagnati da dispositivi dotati di pennino per la registrazione cartacea dei dati.

Questi strumenti sono affiancati anche da tecnologie più moderne, per esempio il solarimetro misura l’intensità delle radiazioni solari o i sensori dei raggi UV, che danno informazioni sull'irraggiamento .

Un'importantissima parte della storia della meteorologia è sicuramente la messa in orbita di satelliti meteo che sono in grado di fornire una gamma completa di dati che, accompagnati dagli strumenti sopracitati, offrono delle previsioni del tempo affidabili.

Strumenti nautici modifica

 
Satellite meteorologico (Meteosat)

Alcuni strumenti per le previsioni sono fondamentali e diffusi a livello nautico, infatti conoscere il meteo è fondamentale per i navigatori.

Il VHF marino: elemento fondamentale per avere accesso immediato e diretto ai soccorsi e alle informazioni meteorologiche.

Esistono due tipi di VHF marino: portatile e fisso.

I VHF portatili hanno una portata di 9 / 10 miglia. Sono compatti e stagni. Sono consigliati per una navigazione principalmente costiera o come complemento del VHF fisso, la cui portata arriva fino a 50 miglia (92 km), in funzione della loro potenza e dell’altezza dell’antenna, sono ideali in navigazione d'altura.

In più, il VHF è molto utile per le comunicazioni da un’imbarcazione all'altra, per chiedere aiuto o informazioni, per segnalare la propria posizione alle navi che si trovano nella propria zona di navigazione.

La radio SSB: sistema di diffusione radio a media e alta frequenza (MHF), che necessita di un ricettore particolare. Una volta collegato al PC portatile, grazie a specifici software, permette di decodificare i file audio e tradurli in carte meteorologiche.

 
Esempio di supercomputer, utilizzato dalla previsioni meteo per elaborare gradi flussi di dati in poco tempo

Il NAVTEX è un sistema d’informazione marittima automatico in radiofrequenza. Fa parte di un sistema mondiale di soccorso e sicurezza in mare. Grazie a questo mezzo vengono emessi i bollettini meteo, gli avvisi di navigazione, i messaggi per il servizio di pilotaggio.

Il telefono satellitare, una volta connesso al PC, permette di recuperare i file Grib (file meteo). Permette allo stesso tempo di chiamare i servizi meteo desiderati e di ricevere mail.

 
Workstation AWIPS in cui sono visualizzati diversi campi meteorologici

Stazione meteo: permette di ottenere le previsioni meteo (tempo, temperature, forza del vento), la pressione atmosferica, la data e l’ora. In base ai modelli, potrai avere accesso a svariate di informazioni: pluviometria, previsione del freddo, della nebbia e del forte vento.

 
Strumentazione di una stazione meteorologica

Indicatore di maree: permette di anticipare le maree. Ti indicherà a ogni luna piena e a ogni luna nuova, ogni quindici giorni circa, l’ampiezza delle maree.

Le cartine meteorologiche modifica

In meteorologia una carta meteorologica è una carta sulla quale sono riportate informazioni tecniche più o meno dettagliate sullo stato presente (situazione) o futuro (prognosi) dell'atmosfera in riferimento a uno o più dei suoi parametri meteorologici fondamentali quali pressione atmosferica, temperatura, copertura nuvolosa, precipitazioni etc. a livello locale, regionale, nazionale, continentale, emisferico o globale. Esse rappresentano dunque uno strumento fondamentale per il meteorologo per formulare delle previsioni meteorologiche su un dato territorio.

Le carte di situazione (o diagnostiche) sono ottenute a partire dall'elaborazione dei dai dati raccolti dalle varie stazioni meteorologiche sparse su un territorio e che hanno raggiunto una buona copertura a livello globale ad eccezione di alcune aree. Le carte di previsione (o prognostiche) sono ottenute invece dagli output dei modelli meteorologici che le calcolano a partire dalle equazioni fondamentali della fisica dell'atmosfera inizializzate con i dati meteorologici raccolti dalle varie stazioni meteorologiche poste sul grigliato del modello o per interpolazione.

In genere le carte che hanno maggiore importanza ai fini prognostici sono le carte meteorologiche che mostrano il campo futuro di pressione atmosferica cioè il campo delle isobare: da queste carte è possibile infatti derivare il tempo atmosferico su un territorio grazie all'interpretazione delle stesse facendo riferimento alle figure bariche più rappresentative quali zone di alta pressione, bassa pressione, saccature, ponti o promontori di alta pressione e all'analisi dei valori relativi di geopotenziale. Mappe meteorologiche del genere sono quelle dei geopotenziali a 500 hPa e 850 hPa rispettivamente per quote intorno ai 5500 m e 1500 m.

Esistono poi carte di precipitazioni e del campo di temperatura i cui valori sono desunti ancora una volta dai modelli matematici dell'atmosfera. Tutte le carte meteo, sia di situazione che di previsione, vengono emesse dai grandi centri di previsione meteorologica con cadenza di 6 ore. Esistono dunque un gran numero di carte meteo, ciascun con finalità particolari; le più comuni rimangono le carte di pressione atmosferica a varie quote altimetriche.

Tipologie modifica

  • Modello empirico: un modello rappresentato da processi semplificati basati su osservazione, misure o esperienza pratica piuttosto che su principi o teoria. Un modello indifferenziato è un esempio.
  • Modello analogico: un modello basato su similarità tra il sistema allo studio e un altro sistema o processo.
  • Modello concettuale: una rappresentazione semplificata del sistema che viene esaminato.
  • Modello analitico: un modello che usa metodi classici come il calcolo o l'algebra per risolvere una serie di equazioni
  • Modello numerico: un modello che usa un metodo numerico per risolvere una serie di equazioni, in opposizione ad un modello analitico. I risultati dei modelli numerici sono spesso approssimazioni, mentre i modelli analitici producono soluzioni esatte.
  • Modello continuo: un modello che usa la simulazione continua, in opposizione ad un modello ad evento singolo.
  • Modello deterministico: un modello che produce lo stesso output per un dato input senza considerazioni di rischio o incertezza.
  • Modello pseudodeterministico: un modello semidistribuito.
  • Modello del bilancio delle masse: un modello basato sulla conservazione della massa e che si focalizza sul bilanciamento degli input e degli output provenienti dall'area del modello. Noto anche come modello zero-dimensionale.
  • Modello esplicito: un modello numerico che usa valori parametro o variabili ignote all'inizio di uno stadio temporale negli algoritmi computazionali.
  • Modello implicito: un modello numerico che usa valori parametro o variabili ignote alla fine di uno stadio temporale negli algoritmi computazionali.
  • Modello unidimensionale: un modello che include solo una dimensione spaziale.
  • Modello bidimensionale: un modello che include due dimensioni spaziali, solitamente orizzontale e verticale che si uguagliano.
  • Modello stocastico matematico: un modello che include elementi statistici e produce una serie di output per una data sequenza di input. L'output rappresenta una sequenza di valori attesi.

Utilizzi delle previsioni atmosferiche modifica

Le previsioni del tempo hanno una valenza in termini di pubblica sicurezza ed economica per vari tipi di attività.

Parecchi paesi utilizzano agenzie governative per fornire previsioni meteo e vigilanze/avvisi/consulenze al pubblico per proteggere la vita e i beni e tutelare gli interessi commerciali. La conoscenza di ciò di cui l'utente finale necessità da una previsione del tempo deve essere tenuta in considerazione per presentare l'informazione in modo utile e comprensibile. Tradizionalmente, giornali, televisione e radio sono stati i canali primari per presentare al pubblico le informazioni sulle previsioni meteo. Negli ultimi anni, sempre di più si usa Internet, grazie alla vasta quantità di informazioni specifiche che si possono trovare. In tutti i casi, questi canali aggiornano le loro previsioni a cadenza regolare.

 
Le previsioni meteorologiche moderne aiutano nelle evacuazioni tempestive e potenzialmente salvano vite umane e prevengono i danni alle proprietà

Allarmi e avvisi di tempo critico modifica

Le  previsioni meteorologiche aiutano a prevenire fenomeni atmosferici devastanti come gli uragani, evacuando per tempo la popolazione ed evitando così danni alle persone e alle proprietà. Una parte importante delle previsioni meteorologiche sono gli allarmi e gli avvisi che i servizi meteorologici nazionali emanano nel caso in cui ci si attendano condizioni di tempo critico o rischioso, al fine di proteggere la vita e i beni delle persone.

Traffico aereo modifica

La nebbia o nubi eccezionalmente bassi possono impedire a molti aeroplani di atterrare o decollare. La turbolenza e il congelamento sono anch'essi significativi fattori di rischio durante il volo. I temporali sono un problema per tutti gli aeroplani a causa delle gravi turbolenze dovute alle loro correnti ascensionali e ai loro fronti a raffica, che si congelano a causa della forte precipitazione, come pure la grossa grandine, i venti forti e il fulmine, che possono tutti causare gravi danni ad un aeroplano in volo. Giorno per giorno gli aerei di linea sono istradati per avvantaggiarsi del vento di coda delle correnti a getto per migliorare l'efficienza del carburante.

Traffico marittimo modifica

L'uso commerciale e ricreativo delle vie d'acqua può essere significativamente limitato dalla direzione e dalla velocità del vento, dalla periodicità e dalle altezze delle onde, dalle maree e dalle precipitazioni. Questi fattori possono ciascuno influenzare la sicurezza del transito marittimo. Conseguentemente, sono stati stabiliti una varietà di codici per trasmettere in modo efficiente previsioni del tempo marino dettagliate ai piloti delle imbarcazioni via radio.

Agricoltura modifica

Gli agricoltori fanno affidamento sulle previsioni meteorologiche per decidere che lavoro fare in un qualsiasi particolare giorno. I freddi intensi e le gelate distruggono le colture sia durante la primavera che l'autunno.

Società di servizi pubblici modifica

Un'unità di climatizzazione è usata per il riscaldamento ed il raffreddamento dell'aria in una località centrale. Le società dell'elettricità e del gas fanno affidamento sulle previsioni meteorologiche per anticipare la domanda, che può essere fortemente influenzata dal tempo. Esse utilizzano la quantità denominata "gradi giorno" per determinare quanto forte sarà l'uso dell'elettricità o del gas per il riscaldamento o per il raffreddamento. Queste quantità sono basate su una temperatura media giornaliera di 18 °C. Temperature più fredde aumentano i giorno di riscaldamento, mentre temperature più calde abbassano i giorno di raffreddamento. In inverno, il tempo molto rigido può causare un innalzamento della domanda quando la gente accende il riscaldamento.

Settore privato modifica

Sempre di più, società private pagano per previsioni del tempo fatte su misura per le loro necessità, al fine di poter aumentare i loro profitti o evitare grandi perdite. Le previsioni meteorologiche possono essere usate per investire nei mercati delle derrate, come i futures in arance, frumento, fagioli di soia e olio.

 
Emblema del Joint Typhoon Warning Center (JTWC), "centro congiunto di allerta sui tifoni"

Applicazioni militari modifica

I meteorologi militari presentano le condizioni del tempo alla comunità dei combattenti di guerra. I meteorologi militari forniscono bollettini meteo prima e durante il volo ai piloti e servizi di protezione delle risorse in tempo reale per le installazioni militari.

Riferimenti modifica

definizione di meteorologia modifica

storia della meteorologia modifica

sviluppo della meteorologia sinottica modifica

tipologie di previsioni meteorologiche modifica

Strumenti per le previsioni modifica

Cartine meteorologiche modifica

Utilizzi delle previsioni atmosferiche modifica