Ogni 23 marzo, si celebra la Giornata Mondiale della Meteorologia. Ma che cos’è la meteorologia? E perché è la scienza più bella, suggestiva e affascinante al mondo? La meteorologia è la scienza che studia l’atmosfera, dei fenomeni atmosferici e degli effetti atmosferici sul nostro meteo. L’atmosfera è lo strato gassoso dell’ambiente fisico che circonda un pianeta. L’atmosfera terrestre ha uno spessore di circa 100-125 chilometri. La gravità impedisce all’atmosfera di espandersi ulteriormente.
La meteorologia è una sottodisciplina delle scienze atmosferiche, un termine che copre tutti gli studi sull’atmosfera. Anche la climatologia e l’aeronomia sono sottodiscipline delle scienze atmosferiche. La climatologia si concentra su come i cambiamenti atmosferici definiscono e alterano i climi del mondo. L’aeronomia è lo studio delle parti superiori dell’atmosfera, dove si verificano processi chimici e fisici unici. La meteorologia si concentra sulle parti inferiori dell’atmosfera, principalmente nella troposfera, dove si svolge la maggior parte del meteo.
I meteorologi usano principi scientifici per osservare, spiegare e prevedere il meteo. Spesso si concentrano sulla ricerca atmosferica o sulle previsioni meteorologiche operative. I meteorologi della ricerca coprono diverse sottodiscipline della meteorologia per includere: modellazione climatica, telerilevamento, qualità dell’aria, fisica atmosferica e cambiamento climatico. Ricercano anche la relazione tra l’atmosfera e i climi, gli oceani e la vita biologica della Terra.
I meteorologi usano questa ricerca, insieme ai dati atmosferici, per valutare scientificamente lo stato attuale dell’atmosfera e fare previsioni sul suo stato futuro. Le condizioni atmosferiche sia sulla superficie terrestre che sopra sono misurate da una varietà di fonti: stazioni meteorologiche, navi, boe, aerei, radar, palloni meteorologici e satelliti. Questi dati vengono trasmessi ai centri di tutto il mondo che producono analisi computerizzate del clima globale. Le analisi vengono trasmesse ai centri meteorologici nazionali e regionali, che inseriscono questi dati in computer che modellano il futuro stato dell’atmosfera. Questo trasferimento di informazioni dimostra come il meteo e il suo studio avvengano in molteplici modi interconnessi.
La storia della meteorologia
Lo sviluppo della meteorologia è profondamente connesso agli sviluppi della scienza, della matematica e della tecnologia. Il filosofo greco Aristotele scrisse il primo grande studio sull’atmosfera intorno al 340 a.C. Molte delle idee di Aristotele erano errate, tuttavia, perché non riteneva necessario fare osservazioni scientifiche.
La crescente fede nel metodo scientifico ha cambiato profondamente lo studio della meteorologia nei secoli XVII e XVIII. Il fisico italiano Evangelista Torricelli ha osservato che i cambiamenti nella pressione atmosferica erano collegati ai cambiamenti del meteo. Nel 1643, Torricelli inventò il barometro, per misurare con precisione la pressione dell’aria. Il barometro è ancora oggi uno strumento chiave per comprendere e prevedere i sistemi meteorologici. Nel 1714, il fisico tedesco Daniel Fahrenheit sviluppò il termometro a mercurio. Questi strumenti hanno permesso di misurare con precisione due importanti variabili atmosferiche.
Non c’era modo di trasferire rapidamente i dati meteorologici fino all’invenzione del telegrafo da parte dell’inventore americano Samuel Morse a metà del 1800. Utilizzando questa nuova tecnologia, gli uffici meteorologici sono stati in grado di condividere informazioni e produrre le prime carte meteorologiche moderne. Queste mappe combinavano e mostravano insiemi di informazioni più complessi come isobare (linee di uguale pressione atmosferica) e isoterme (linee di uguale temperatura). Con queste mappe meteorologiche su larga scala, i meteorologi potevano esaminare un quadro geografico più ampio del meteo e fare previsioni più accurate.
Negli anni ’20, un gruppo di meteorologi norvegesi sviluppò i concetti di masse d’aria e fronti, che sono gli elementi costitutivi delle moderne previsioni meteorologiche. Usando le leggi fondamentali della fisica, questi meteorologi hanno scoperto che enormi masse d’aria fredda e calda si muovono e si incontrano secondo pattern che sono la radice di molti sistemi meteorologici.
Le operazioni militari durante la Prima e la Seconda Guerra Mondiale portarono grandi progressi alla meteorologia. Il successo di queste operazioni dipendeva fortemente dalle condizioni meteorologiche di vaste regioni del globo. I militari hanno investito molto in addestramento, ricerca e nuove tecnologie per migliorare la loro comprensione del meteo. La più importante di queste nuove tecnologie era il radar, sviluppato per rilevare la presenza, la direzione e la velocità di aerei e navi. Dalla fine della Seconda Guerra Mondiale, il radar è stato utilizzato e migliorato per rilevare la presenza, la direzione e la velocità delle precipitazioni e dei pattern di vento.
Gli sviluppi tecnologici degli anni ’50 e ’60 hanno reso più facile e veloce per i meteorologi osservare e prevedere i sistemi meteorologici su vasta scala. Durante gli anni ’50, i computer crearono i primi modelli delle condizioni atmosferiche eseguendo centinaia di punti dati attraverso complesse equazioni. Questi modelli sono stati in grado di prevedere condizioni meteorologiche su larga scala, come la serie di sistemi di alta e bassa pressione che circondano il nostro pianeta.
TIROS I, il primo satellite meteorologico, ha fornito le prime accurate previsioni meteorologiche dallo spazio nel 1962. Il successo di TIROS I ha portato alla creazione di satelliti più sofisticati. La loro capacità di raccogliere e trasmettere dati con estrema accuratezza e velocità li ha resi indispensabili per i meteorologi. I satelliti avanzati e i computer che elaborano i loro dati sono gli strumenti principali utilizzati oggi in meteorologia.
La meteorologia oggi
I meteorologi odierni dispongono di una varietà di strumenti che li aiutano a esaminare, descrivere, modellare e prevedere i sistemi meteorologici. Queste tecnologie vengono applicate a diverse scale meteorologiche, migliorando l’accuratezza e l’efficienza delle previsioni.
Radar
Il radar è un’importante tecnologia di telerilevamento utilizzata nelle previsioni. Una parabola radar è un sensore attivo in quanto emette onde radio che rimbalzano sulle particelle nell’atmosfera e ritornano alla parabola. Un computer elabora questi impulsi e determina la dimensione orizzontale delle nuvole e delle precipitazioni, nonché la velocità e la direzione in cui si muovono queste nuvole. Una nuova tecnologia, nota come radar a doppia polarizzazione, trasmette impulsi di onde radio sia orizzontali che verticali. Con questo impulso aggiuntivo, il radar a doppia polarizzazione è in grado di stimare meglio le precipitazioni. È anche in grado di differenziare meglio i tipi di precipitazioni: pioggia, neve, nevischio o grandine. Il radar a doppia polarizzazione migliorerà notevolmente le previsioni di alluvioni lampo e le previsioni del meteo invernale.
Ricerca sui tornado
La ricerca sui tornado è un’altra componente importante della meteorologia. A partire dal 2009, la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e la National Science Foundation hanno condotto il più grande progetto di ricerca sui tornado della storia, noto come VORTEX2. Il team VORTEX2, composto da circa 200 persone e più di 80 strumenti meteorologici, ha percorso più di 16.000 chilometri attraverso le Grandi Pianure degli Stati Uniti per raccogliere dati su come, quando e perché si formano i tornado. Il team ha fatto la storia raccogliendo dati estremamente dettagliati prima, durante e dopo uno specifico tornado. Questo tornado è il più intensamente esaminato nella storia e fornisce approfondimenti chiave sulle dinamiche dei tornado.
I satelliti
I satelliti sono estremamente importanti per la nostra comprensione dei fenomeni meteorologici su scala globale. Un imager altamente accurato produce immagini nel visibile e nell’infrarosso della superficie terrestre, degli oceani, della copertura nuvolosa e degli sviluppi di forti tempeste. Le immagini a infrarossi rilevano il movimento e il trasferimento di calore, migliorando la nostra comprensione del bilancio energetico globale e di processi come il riscaldamento globale, la convezione e il maltempo.
Scale della meteorologia
Il meteo si verifica a diverse scale di spazio e tempo. Le quattro scale meteorologiche sono: microscala, mesoscala, scala sinottica e scala globale. I meteorologi spesso si concentrano su una scala specifica nel loro lavoro.
Meteorologia su microscala
La meteorologia su microscala si concentra su fenomeni di dimensioni variabili da pochi centimetri a pochi chilometri e che hanno una durata di vita breve (meno di un giorno). Questi fenomeni interessano aree geografiche molto piccole e le temperature e i terreni di quelle aree. I meteorologi su microscala spesso studiano i processi che si verificano tra suolo, vegetazione e acque superficiali vicino al livello del suolo. Misurano il trasferimento di calore, gas e liquidi tra queste superfici. La meteorologia su microscala spesso implica lo studio della chimica.
Meteorologia su mesoscala
I fenomeni di mesoscala variano in dimensioni da pochi chilometri a circa 1.000 chilometri. Due fenomeni importanti sono i complessi convettivi a mesoscala (MCC) e i sistemi convettivi a mesoscala (MCS). Entrambi sono causati dalla convezione, un importante principio meteorologico. La convezione è un processo di circolazione. Il fluido più caldo e meno denso sale e il fluido più freddo e più denso scende. Il fluido che la maggior parte dei meteorologi studia è l’aria. La convezione si traduce in un trasferimento di energia, calore e umidità, i mattoni fondamentali del clima.
Sia in un MCC che in un MCS, un’ampia area di aria e umidità viene riscaldata durante le ore centrali della giornata. Quando questa massa d’aria calda sale nell’atmosfera più fredda, si condensa in nuvole, trasformando il vapore acqueo in precipitazioni. Un MCC è un singolo sistema di nuvole che può raggiungere le dimensioni dello stato dell’Ohio e produrre forti piogge e inondazioni. Un MCS è un cluster più piccolo di temporali che dura diverse ore. Entrambi reagiscono a trasferimenti unici di energia, calore e umidità causati dalla convezione.
Meteorologia su scala sinottica
I fenomeni su scala sinottica coprono un’area di diverse centinaia o addirittura migliaia di chilometri. I sistemi di alta e bassa pressione visti nelle previsioni meteorologiche locali sono in scala sinottica. La pressione, proprio come la convezione, è un importante principio meteorologico che è alla base di sistemi meteorologici su larga scala diversi come gli uragani e le ondate di freddo.
Sistemi di bassa pressione
I sistemi di bassa pressione si verificano dove la pressione atmosferica sulla superficie della Terra è inferiore al suo ambiente circostante. Il vento e l’umidità provenienti da aree con pressione più elevata cercano sistemi di bassa pressione. Questo movimento, insieme alla forza di Coriolis e all’attrito, fa ruotare il sistema in senso antiorario nell’emisfero settentrionale e in senso orario nell’emisfero meridionale, creando un ciclone. I cicloni hanno una tendenza al movimento verticale verso l’alto. Ciò consente all’aria umida proveniente dall’area circostante di salire, espandersi e condensarsi in vapore acqueo, formando nuvole. Questo movimento di umidità e aria provoca la maggior parte dei nostri eventi meteorologici.
Gli uragani sono il risultato di sistemi di bassa pressione (cicloni) che si sviluppano sulle acque tropicali dell’emisfero occidentale. Il sistema assorbe enormi quantità di umidità calda dal mare, provocando la convezione, che a sua volta provoca un aumento della velocità del vento e una diminuzione della pressione. Quando questi venti raggiungono velocità superiori a 119 chilometri orari, il ciclone viene classificato come uragano.
Gli uragani possono essere uno dei disastri naturali più devastanti nell’emisfero occidentale. Il National Hurricane Center, a Miami, in Florida, emette regolarmente previsioni e rapporti su tutti i sistemi meteorologici tropicali. Durante la stagione degli uragani, gli specialisti degli uragani emettono previsioni e allerte per ogni tempesta tropicale nell’Atlantico tropicale occidentale e nel Pacifico tropicale orientale. Aziende e funzionari governativi di Stati Uniti, Caraibi, America centrale e Sud America si affidano alle previsioni del National Hurricane Center.
Sistemi di alta pressione
I sistemi ad alta pressione si verificano dove la pressione atmosferica sulla superficie della Terra è maggiore dell’ambiente circostante. Questa pressione ha una tendenza al movimento verticale verso il basso, consentendo aria secca e cieli sereni. Le temperature estremamente fredde sono il risultato di sistemi ad alta pressione che si sviluppano sull’Artico e si spostano sull’emisfero settentrionale. L’aria artica è molto fredda perché si sviluppa su ghiaccio e terreno innevato. Questa aria fredda è così densa che spinge contro la superficie terrestre con una pressione estrema, impedendo all’umidità o al calore di rimanere all’interno del sistema. I meteorologi hanno identificato molte aree semipermanenti di alta pressione. L’alta pressione delle Azzorre, ad esempio, è una regione relativamente stabile di alta pressione attorno alle Azzorre.
Meteorologia su scala globale
I fenomeni su scala globale sono pattern meteorologici legati al trasporto di calore, vento e umidità dai tropici ai poli. Un modello importante è la circolazione atmosferica globale, il movimento dell’aria su larga scala che aiuta a distribuire l’energia termica (calore) attraverso la superficie della Terra. La circolazione atmosferica globale è il movimento abbastanza costante dei venti in tutto il mondo. I venti si sviluppano quando le masse d’aria si spostano da aree di alta pressione a aree di bassa pressione. La circolazione atmosferica globale è in gran parte guidata dalle celle di Hadley. Le celle di Hadley sono modelli di convezione tropicale ed equatoriale. La convezione spinge l’aria calda in alto nell’atmosfera, mentre l’aria fredda e densa spinge verso il basso in un ciclo costante. Ogni ciclo è una cella di Hadley.
Le celle di Hadley determinano il flusso degli alisei, previsto dai meteorologi. I venti occidentali sono venti che soffiano da ovest alle medie latitudini. Più vicino all’Equatore, gli alisei soffiano da nord-est (a nord dell’Equatore) e da sud-est (a sud dell’Equatore).
El Niño
I meteorologi studiano modelli climatici a lungo termine che interrompono la circolazione atmosferica globale. I meteorologi hanno scoperto il pattern di El Niño, per esempio. El Niño coinvolge le correnti oceaniche e gli alisei attraverso l’Oceano Pacifico. El Niño si verifica all’incirca ogni cinque anni, interrompendo la circolazione atmosferica globale e influenzando il clima e le economie locali. El Niño è collegato ai cambiamenti della pressione atmosferica nell’Oceano Pacifico noti come Southern Oscillation. La pressione atmosferica scende sul Pacifico orientale, vicino alla costa delle Americhe, mentre la pressione atmosferica sale sul Pacifico occidentale, vicino alle coste dell’Australia e dell’Indonesia. Gli alisei si indeboliscono. Le nazioni del Pacifico orientale sperimentano precipitazioni estreme, mentre quelle del Pacifico occidentale sperimentano siccità.
Alla luce di tutto questo magico viaggio nella scienza storica e moderna, possiamo capire perché la meteorologia è davvero la scienza più affascinante e suggestiva del mondo: interroga la gente, incuriosisce e riesce ancora a sorprendere.
