Meteorologia 5.1 - Atmosfera e Grandezze

Premessa

La meteorologia e la scienza che studia l'atmosfera e i fenomeni che in essa si manifestano, cercando di prevederne il sopravvenire e lo sviluppo.

IMPORTANTE: Il 40% degli incidenti dell'aviazione generale avvengono principalmente perche i piloti, per ignoranza meteorologica o per presunzione, intraprendono o continuano il volo in condizioni di tempo al di sopra delle loro capacita.

La sicurezza del volo dipende moltissimo da come i piloti affrontano il tempo (o meglio il maltempo). Quanto esposto costituisce un bagaglio di conoscenza sufficiente per consentire a chi possiede la licenza PPL di affrontare in sicurezza il volo VFR.

1. Introduzione

Atmosfera: E la massa gassosa che avvolge la Terra e che la segue nei suoi movimenti di rotazione e di rivoluzione. E vincolata al pianeta dalla forza di gravita.

L'atmosfera ha densita decrescente dal livello del suolo fino ai limiti dell'attrazione terrestre. A causa della forza centrifuga e delle differenze di temperatura indotte dal diverso irraggiamento solare, l'atmosfera va soggetta a un continuo rimescolamento.

I fenomeni meteorologici sono generati dai moti dell'aria e dal fatto che essa contiene sempre una certa quantita di vapore acqueo proveniente dalle superfici degli oceani e dai cicli vitali degli esseri viventi.

Figura 5.1 - Gli strati dell'atmosfera terrestre (libro pag. 5-4)

2. La composizione dell'atmosfera

L'aria e un miscuglio di diversi gas:

Gas	Percentuale
Azoto (N2)	78%
Ossigeno (O2)	21%
Vapore acqueo	0% - 5% (variabile)
Altri gas (Argon, CO2, ecc.)	~1%

IMPORTANTE PER I MOTORI: Al crescere della quantita di vapore presente nell'aria, le percentuali degli altri gas (incluso l'ossigeno) diminuiscono proporzionalmente. Questo assume particolare rilevanza riguardo alle prestazioni dei motori, la cui capacita di erogare potenza e funzione della quantita di ossigeno disponibile per la combustione.

Gli strati dell'atmosfera

Strato	Altezza	Caratteristiche
TROPOSFERA	0 - 8/20 km	Dove avvengono tutti i fenomeni meteorologici e i voli
Tropopausa	~11 km (36.089 ft)	Superficie di separazione, temperatura -56,5C
Stratosfera	11 - 50 km	Temperatura costante poi aumenta
Mesosfera	50 - 80 km	Temperatura diminuisce di nuovo

Troposfera: Si estende per un'altezza variabile da circa 8.000 metri sulla verticale dei poli fino a 20.000 metri sulla verticale dell'equatore. La sua caratteristica e la diminuzione di temperatura che si verifica dalla superficie terrestre fino alla tropopausa.

3. L'atmosfera standard (ISA)

Al fine di avere parametri costanti necessari come riferimento durante svariate operazioni tecniche (taratura di strumenti, certificazione di aerei e motori), e stato internazionalmente convenuto di istituire l'atmosfera standard ISA (International Standard Atmosphere).

DATI CARATTERISTICI ISA (ICAO):

Aria considerata fluido perfetto privo di vapore acqueo e pulviscolo
Presa a 45 di latitudine
Pressione al livello del mare: 1.013,25 hPa (29,92 pollici Hg)
Densita al livello del mare: 1,225 kg/m3
Temperatura al livello del mare: 15C
Gradiente termico verticale: 0,65C ogni 100 m (circa 2C ogni 1.000 ft)
Tropopausa a 11.000 m (36.089 ft) con temperatura di -56,5C
Gradiente barico verticale: 1 hPa ogni 27 ft (8 m) al livello del mare

Figura 5.2 - Valori principali dell'atmosfera standard (libro pag. 5-5)

La densita

Densita (p - rho): E il numero di molecole contenute in un determinato volume. Dipende dalla pressione e dalla temperatura:

Aumenta all'aumentare della pressione
Aumenta al diminuire della temperatura

La densita relativa (sigma) e il rapporto tra la densita dell'aria a una determinata quota e quella al livello del mare (p0).

Quota (ft)	Pressione (hPa)	Temperatura (C)	Densita relativa
0 (MSL)	1.013	15	1,0000
5.000	843	5	0,8617
10.000	697	-5	0,7385
20.000	466	-25	0,5328
36.000 (tropopausa)	227	-56,5	0,2981

4. La pressione

Pressione: E definita come la forza esercitata ortogonalmente sull'unita di superficie. La pressione atmosferica e la forza che il peso delle molecole d'aria esercita sull'unita di area della superficie terrestre.

Figura 5.3 - L'esperimento di Torricelli (libro pag. 5-5)

L'esperimento di Torricelli (1643) dimostro che la pressione atmosferica al livello del mare e pari a quella esercitata da una colonna di mercurio alta 76 cm (29,92 pollici).

Unita di misura	Valore al MSL
ettoPascal (hPa) - ICAO	1.013,25 hPa
millibar (mb)	1.013,25 mb
pollici di mercurio (inHg)	29,92 inHg
centimetri di mercurio	76 cm Hg
atmosfere	1 atm = 1,033 kg/cm2

4.1 Le superfici isobariche e le isobare

Superficie isobarica: Superficie soggetta a uguale pressione
Isobare: Linee che congiungono punti di uguale pressione al livello del mare (tracciate ogni 4 hPa)
Isoipse: Linee di uguale altezza di una superficie isobarica

Figura 5.4 - Le isobare e le superfici isobariche (libro pag. 5-6)

Gradiente barico verticale

E il rapporto tra la differenza di pressione tra due superfici isobariche e la loro distanza verticale.

Al livello del mare: 1 hPa ogni 27 ft (8 m)

Il gradiente barico verticale diminuisce con la quota perche l'aria e meno densa: bisogna salire sempre di piu per ottenere uguali diminuzioni di pressione.

Quota	Pressione ISA
Livello del mare	1.013 hPa
5.000 ft	850 hPa
10.000 ft	700 hPa
18.000 ft	500 hPa
30.000 ft	300 hPa
40.000 ft	200 hPa

4.2 Le conformazioni bariche

Figura 5.6 - Le conformazioni bariche caratteristiche (libro pag. 5-7)

Conformazione	Simbolo	Descrizione	Tempo associato
ANTICICLONE	A / H	Isobare chiuse con alta pressione al centro	BELLO
CICLONE	B / L	Isobare chiuse con bassa pressione al centro	PERTURBATO
Promontorio/Cuneo	-	Zona di alta pressione che si estende in zona di pressione minore	Bello
Saccatura	-	Zona di bassa pressione che si estende in zona di pressione maggiore	Perturbato
Sella	-	Zona tra due alte e due basse pressioni	Variabile
Pendio	-	Isobare pressoché rettilinee e parallele	Variabile

GRADIENTE BARICO ORIZZONTALE: E il rapporto tra la differenza di pressione tra due isobare e la loro distanza. Quanto piu vicine sono le isobare, tanto piu veloce e il vento. Calcolato sulla distanza di un grado meridiano (60 NM), e all'origine dei venti.

5. La temperatura

5.1 Il meccanismo di riscaldamento

Il Sole riscalda la Terra per irraggiamento, senza che l'atmosfera assorba calore dai raggi che l'attraversano. Il calore che giunge sulla superficie terrestre viene assorbito e poi riceduto agli strati dell'atmosfera a contatto con il suolo, i quali a loro volta lo cedono per convezione a quelli superiori.

Gradiente termico verticale: In atmosfera standard, la temperatura decresce con un gradiente di 6,5C ogni 1.000 m (oppure 2C ogni 1.000 ft).

Cause del diverso riscaldamento

La superficie terrestre viene riscaldata in modo vario per due ragioni principali:

Causa	Fattori
Diverso irraggiamento solare	Sfericita della Terra, stagioni, giorno/notte, esposizione, copertura nuvolosa
Diversa capacita termica	Acqua vs terreno: l'acqua trattiene piu calore e lo cede lentamente

ACQUA vs TERRENO:

Di giorno (o in estate): il terreno e molto piu caldo dell'acqua (cede subito il calore)
Di notte (o in inverno): l'acqua e piu calda del terreno (ha ancora calore immagazzinato)

Escursione termica: Differenza tra il valore massimo e minimo della temperatura misurati in un determinato intervallo di tempo.

Escursione giornaliera: massimo verso le 14:00, minimo appena prima dell'alba
Escursione annuale: massimo in estate, minimo in inverno

Le linee che congiungono punti con stessi valori di temperatura si chiamano isoterme.

5.2 I moti convettivi

Figura 5.8 - I moti convettivi (libro pag. 5-9)

La convezione e la forma di propagazione del calore caratteristica nei liquidi e nei gas. L'aria calda diventa meno densa, sale per il principio di Archimede, e viene sostituita da aria piu fredda.

Moto convettivo: Consiste in:

Una colonna d'aria ascendente (calda)
Una colonna d'aria discendente (fredda)
Due masse d'aria che si muovono orizzontalmente = VENTI

Figura 5.9 - Moti convettivi planetari (libro pag. 5-10)

5.3 Le curve di stato

Figura 5.10 - Andamento della temperatura in funzione della quota (libro pag. 5-10)

Il diagramma temperatura/quota (o curva di stato) mostra come varia la temperatura con la quota. In pratica puo avere andamenti molto vari.

Figura 5.11 - Inversione termica e isotermia (libro pag. 5-11)

Fenomeno	Descrizione	Riconoscimento nel diagramma
INVERSIONE TERMICA	La temperatura aumenta con la quota (anziche diminuire)	Linea volge verso destra
Inversione al suolo	Specialmente di notte con aria calma. Causa di nebbia	Sparisce al sorgere del Sole
Inversione in quota	A qualunque altezza nella troposfera	Spesso causa nubi stratificate
ISOTERMIA	Tratto di quota a temperatura costante	Linea parallela alle ordinate

Scale termometriche

Scala	Ghiaccio fondente	Acqua bollente	Conversione
Celsius (C)	0	100	-
Fahrenheit (F)	32	212	C = 5/9 x (F - 32)
Kelvin (K)	273	373	K = C + 273

6. L'umidita

Oltre alle correnti verticali e ai venti, nessun altro fenomeno meteo avrebbe luogo se l'atmosfera non contenesse sempre, in quantita piu o meno elevate, acqua nel suo stato aeriforme: il vapore acqueo.

ATTENZIONE: Il vapore d'acqua e un gas perfettamente trasparente e quindi non si vede. Le nubi e cio che si vede uscire da una pentola in ebollizione NON sono vapore, ma minutissime goccioline d'acqua gia allo stato liquido!

I cambiamenti di stato

Cambiamento	Da	A	Calore latente
Fusione	Solido	Liquido	Assorbito
Evaporazione	Liquido	Aeriforme	Assorbito (589 kcal/kg a 15C)
Condensazione	Aeriforme	Liquido	Rilasciato all'ambiente
Solidificazione	Liquido	Solido	Rilasciato
Sublimazione	Solido	Aeriforme (e viceversa)	Assorbito/Rilasciato

CALORE LATENTE: Durante il passaggio da liquido a vapore, l'acqua assorbe dall'ambiente circostante una grande quantita di calore (589 kcal per ogni kg evaporato a 15C). Questa energia viene totalmente restituita all'ambiente durante la condensazione.

Tipi di umidita

Tipo	Definizione	Unita	Note
Umidita assoluta	Grammi di vapore per m3 d'aria	g/m3	Poco usata (varia col volume)
Umidita specifica	Grammi di vapore per kg d'aria	g/kg	Usata per masse d'aria in movimento
Umidita relativa	Rapporto tra vapore contenuto e massimo contenibile	%	La piu importante!

6.1 L'umidita relativa

UR = (vapore contenuto / vapore massimo contenibile) x 100%

Saturazione: Quando l'aria contiene tutta l'umidita che puo contenere, l'umidita relativa e del 100%. A quel punto il vapore in eccesso viene "espulso" sotto forma di acqua liquida (nebbia, rugiada, nubi).

Per raggiungere la saturazione ci sono due vie:

Metodo	Cosa cambia	Effetto sul rapporto UR
Aggiungere vapore	Aumenta il numeratore	UR aumenta fino a 100%
Raffreddare l'aria	Diminuisce il denominatore (il massimo contenibile diminuisce)	UR aumenta fino a 100%

REGOLE FONDAMENTALI:

Quanto minore e l'umidita relativa, tanto piu l'aria e secca e favorisce l'evaporazione
Quanto maggiore e l'umidita relativa, tanto piu l'aria e umida e meno favorisce l'evaporazione
La quantita massima di vapore contenibile e proporzionale alla temperatura

6.2 Il punto di rugiada

Temperatura del punto di rugiada (Td): E la temperatura alla quale l'aria si satura (UR = 100%) mantenendo costanti pressione e quantita di vapore. Tanto piu bassa e la Td, tanto piu l'aria e secca.

Esempio	Temperatura	Vapore	UR
Partenza	20C	10 g	50%
Raffreddando a Td	10C	10 g	100%

FENOMENI METEO:

Se Td > 0C: condensazione in forma di nebbia o rugiada
Se Td < 0C: sublimazione in forma di cristalli di ghiaccio (brina)

Riepilogo valori da ricordare

Concetto	Valore
Composizione aria - Azoto	78%
Composizione aria - Ossigeno	21%
Troposfera ai poli	~8.000 m
Troposfera all'equatore	~20.000 m
Tropopausa ISA	11.000 m / 36.089 ft
Temperatura tropopausa	-56,5C
Pressione ISA al MSL	1.013,25 hPa = 29,92 inHg
Temperatura ISA al MSL	15C
Densita ISA al MSL	1,225 kg/m3
Gradiente termico verticale	0,65C/100m = 2C/1.000ft
Gradiente barico verticale (MSL)	1 hPa / 27 ft (8 m)
Pressione a 5.000 ft	850 hPa
Pressione a 10.000 ft	700 hPa
Pressione a 18.000 ft	500 hPa
Calore latente evaporazione (15C)	589 kcal/kg
Anticiclone (simbolo)	A o H = tempo bello
Ciclone (simbolo)	B o L = tempo perturbato
Incidenti meteo aviazione generale	40%
Conversione C -> F	F = 9/5 x C + 32
Conversione F -> C	C = 5/9 x (F - 32)

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