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Meteorologia 1 - CIRCOLAZIONE GENERALE

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Il "motore" che permette le evoluzioni del tempo (caldo, freddo, pioggia, vento ...) è il Sole.
A causa dell'inclinazione dell'asse terrestre (non mi soffermo più di tanto su questo perché immagino la cosa sia nota a tutti) l'insolazione non è omogenea durante l'anno.
Nella nostra estate l'emisfero Nord è maggiormente esposto ai raggi del Sole, mentre il Sud è in "ombra".
Durante l'inverno, quando la Terra si trova nella posizione opposta, è maggiormente esposto l'emisfero Sud e qui fa più freddo.
Sempre, comunque, i poli si trovano meno esposti rispetto alla zona equatoriale.
In particolare notiamo che, dal momento che l'asse terrestre è inclinato di 23°27' rispetto alla perpendicolare al piano dell'eclittica (l'orbita terrestre), il Sole illumina in modo differenziato le zone che stanno tra 0° e 23° 27' di Latitudine (Zone EQUATORIALI), le zone che stanno tra 23°27' e 66°33' (Zone TEMPERATE) e le zone con latitudine superiore a 66°33'.
In particolare vediamo dalla figura qua sotto, che il sole può essere esattamente a perpendicolo (cioè "sulla testa" - si dice ALLO ZENIT) di un osservatore che si trovi SOLO nelle zone equatoriali.
In particolare per chi si trova alla latitudine di 23°27' (TROPICO DEL CANCRO a nell'emisfero Nord e TROPICO DEL CAPRICORNO nell'emisfero Sud) avrà il sole esattamente sulla testa (allo ZENIT) solo a mezzogiorno del 21 Giugno (21 Dicembre nell'emisfero Sud).
Oltre i circoli polari (cioè 90° meno 23° 27' ovvero 66° 33' CIRCOLO POLARE ARTICO nell'emisfero Nord, CIRCOLO POLARE ANTARTICO in quello Sud) si vede come nello stesso giorno (21 Giugno - 21 Dicembre) il sole illumini per 24 ore (non c'è notte) oppure non si veda affatto (non c'è giorno) a seconda che ci troviamo nell'emisfero Nord o Sud.
Comunque la si giri i raggi del sole scaldano in modo diretto le zone vicine all'equatore e arrivano più "obliqui" oltre i circoli polari e in genere alle alte latitudini.
Quindi all'Equatore farà più caldo che ai Poli (e sin qui direi nulla di nuovo).
Dal punto di vista della circolazione atmosferica, il sole "scalda l'aria" che quindi diventa più leggera e "sale" .
Se la Terra non ruotasse avremmo una circolazione piuttosto semplice:

All'Equatore l'aria calda "sale", ai Poli l'aria fredda "scende", quindi avremmo una circolazione costante con aria che va dai poli verso l'Equatore a bassa quota e aria che va dall'Equatore ai poli in alta quota.
Ma la Terra ruota sul proprio asse, e come abbiamo visto (o andiamo a vedere adesso) nel paragrafo dedicato alla Forza di Coriolis questo comporta che una massa d'aria che si sposti da Nord verso Sud o viceversa venga "deviata" in senso ANTIORARIO nell'emisfero Nord (e viceversa in senso ORARIO in quello Sud).
Di fatto, invece di una sola cella nell'emisfero Nord e una nell'emisfero Sud la rotazione terrestre ci complica un po' lo scenario, realizzando tre celle separate in ogni emisfero.
Le celle di HADLEY - che coprono dall'equatore sino a circa 30° di latitudine, le celle TEMPERATE ( o di FERREL o di SHAPLEY) che vanno da 30° a 60° e quindi le celle POLARI.
Tra queste "celle" normalmente non dovrebbe esserci passaggio d'aria.
Se la Terra fosse una palla da biliardo omogenea, queste celle sarebbero animate da:
Alta pressione - le celle polari e le celle di Hadley tropicali
Bassa pressione - le celle di Ferrel temperate e la fascia equatoriale
Come sempre avviene, però, nella realtà le cose non stanno così.

A causa della distribuzione non omogenea di terra e mare, e dei rilievi (in particolare la Ande e l'Himalaya), la distribuzione delle alte e basse pressioni è un po' più complicata.

 

Nell'immagine è riportata la distribuzione media delle pressioni dal 2018 al 2021 - in questo modo si possono inquadrare le zone di alta e bassa pressione più o meno permanenti.
Non sono situazioni fisse, ma diciamo molto comuni, e che influenzano in modo marcato la circolazione prevalente.

In line di massima individuiamo (emisfero settentrionale o BOREALE):

  • Una zona di alta pressione permanente in prossimità della calotta polare
     
  • Un'alternanza di alte e basse pressioni nella zona temperata: le formazioni che più influenzano la regione europea sono:
    • L'anticiclone delle Azzorre che è quello che espandendosi o contraendosi maggiormente influisce sul clima nella nostra regione
    • L'anticiclone africano (instabile) che allontana dal continente africano le correnti umide provenienti dall'Oceano Atlantico e dall'Oceano Indiano, generando una fascia arida.
    • L'anticiclone siberiano che è l'altro "motore" che alimenta la circolazione sui Balcani e sino alle nostre regioni adriatiche
    • La depressione islandese

    Queste zone cicloniche e anticicloniche variano considerevolmente durante le stagioni e causano le condizioni meteo tipiche dei paesi temperati, con alternanza di 4 stagioni, periodi di precipitazioni e siccitosi variabili e distribuiti durante tutto l'arco dell'anno.
     

  • Nella fascia equatoriale troviamo una zona di basse pressioni permanenti che costituiscono il FRONTE DI CONVERGENZA INTERTROPICALE e che "aspirano" aria dai tropici che a causa della forza di Coriolis devia verso Ovest, generando una fascia di venti costanti detti ALISEI.
     
  • Nell'emisfero AUSTRALE (quello meridionale) le cose sono più "regolari". A causa dell'assenza di terre emerse nella fasce a latitudine più elevata. la circolazione è più marcata e costante. Superata la fascia di "calma" legata agli anticicloni meridionali:
    • L'anticlone Mascarene nell'Oceano Indiano
    • L'anticiclone dell'Isola di Pasqua nell'Oceano Pacifico
    • L'anticiclone di Sant'Elena nell'Oceano Atlantico
       
  • Ritroviamo una zona di bassa pressione che in pratica si estende dal 40° parallelo Sud sino al polo Sud caratterizzando una fascia di instabilità perenne con venti molto forti occidentali (i QUARANTA RUGGENTI) e forti precipitazioni
     
  • Sulla calotta polare non ritroviamo l'attesa cella di alta pressione ma di nuovo condizioni instabili, con venti forti ma praticamente assenza di precipitazioni (l'Antartide anche se perennemente coperto di ghiaccio. a causa delle scarsissime precipitazioni, può esser considerato a tutti gli effetti un "deserto").
     
 Qua Sopra una "carta barica", che riporta le pressioni rilevate al livello del mare.
E' possibile individuare le zone cicloniche e anticicloniche - ricordo che la circolazione dei venti è in senso ANTIORARIO intorno alle depressioni (CICLONI) e - meno marcata - in senso ORARIO intorno alle zone anticicloniche (nell'emisfero boreale, in quello australe funziona al contrario).

Infine, l'enorme massa d'acqua dell'Oceano Pacifico, nella zona equatoriale, esposta ad insolazione intensa durante tutto l'anno, si scalda e rappresenta una "riserva energetica" particolarmente intensa detta "PISCINA CALDA DEL PACIFICO" che alimenta la circolazione tropicale ed è causa dei forti venti e delle tempeste che interessano quelle zone.
 

LE CORRENTI A GETTO o JET STREAM
Le correnti a getto (o Jetstream) sono venti che spirano in media a 150 km/h e sono state scoperte per caso dai piloti militari della seconda guerra mondiale, i primi che abbiano potuto volare ad alta quota.
Il 24 novembre 1944 un centinaio di bombardieri americani B29 si avvicinavano a Tokyo volando tra gli 8000 e i 10.000 metri, quando ad un certo punto i piloti si accorsero che stavano viaggiando sui 720 km/h, 150 più della massima velocità che i B29 erano in grado di raggiungere. Peraltro questo fatto fece sì che delle mille bombe sganciate appena una cinquantina finì sui bersagli.
In compenso gli aviatori, come dicevamo, avevano potuto constatare che ad una certa latitudine nord (ma il fenomeno si ripete, simmetrico, nell'emisfero australe) e ad una certa altezza si entra in una violenta "perturbazione" che accelera gli aerei in volo verso oriente e rallenta quelli in volo verso occidente.
Accuratamente in seguito studiata con palloni sonda, questa corrente, un colossale "fiume d'aria", si è rivelata larga sui 300/500 km e spessa circa 3000 metri.
La quota della corrente a getto varia tra i 10.000 e i 14.000 metri e la velocità è in genere compresa tra i 95 e i 185 km/h, sebbene talvolta si siano misurate punte anche di 465 km all'ora.

Modelli matematici sviluppati al calcolatore hanno poi chiarito che le jetstreams costituiscono un meccanismo essenziale per trasferire ad alta quota l'energia termica dall'equatore verso i poli. La loro alta velocità è dovuta essenzialmente a due fenomeni:

- come sappiamo l'intensità dei venti è maggiore laddove è più grande la differenza di pressione (gradiente barico). Ora, la linea di separazione tra le principali masse d'aria calda (tropicali, equatoriali) e fredda (polari) è sede di un forte gradiente pressorio, che aumenta con la quota. Infatti la pressione con la quota diminuisce più rapidamente nell'aria fredda e così mano a mano che si sale, aumenta (a parità di altre condizioni e a parità di quota) la differenza di pressione tra le due masse d'ara che appunto separano il getto;
- conservazione del momento angolare: l'aria che all'equatore ruota con la Terra, via via che si sposta verso i poli aumenta di velocità, così come una pattinatrice gira su se stessa più velocemente quando accosta le braccia ai fianchi.
 

Le correnti a getto sono "fiumi d'aria" che scorrono tra la troposfera e la stratosfera sui confini delle celle meteorologiche.
Sono causate dalla differenza di temperatura, e quindi di densità, delle masse d'aria appartenenti a celle diverse.
Sono sempre dirette da Ovest verso Est e possono raggiungere velocità di diverse centinaia di km/h, senza peraltro generare turbolenza (sono cioè veri e propri "fiumi d'aria" che scorrono uniformemente, senza "rimescolamento" verticale, assente nelle stratosfera).
Possono essere (e vengono) sfruttate dagli aerei che volano da Ovest ad Est per diminuire notevolmente i tempi di percorrenza e il conseguente consumo di carburante.

La loro origine risiede nella presenza di discontinuità termiche sul piano orizzontale, una intorno ai 30° di latitudine e una intorno ai 60°, in quanto lungo tali fasce si fronteggiano masse d’aria con temperature sensibilmente diverse. Nella parte settentrionale di tale fasce la pressione diminuisce  molto più velocemente con la quota rispetto all'adiacente colonna occupata da aria calda,  cosicché in alta troposfera si crea un dislivello barico che da luogo a correnti molto veloci, denominate rispettivamente corrente a getto polare (la più intensa) e corrente a getto sub-tropicale.

Queste correnti non seguono una traiettoria rettilinea ma sono forzate a deviare dalle grandi barriere montuose. In questo modo avvengono continui sconfinamenti delle masse d’aria polari e sub-tropicali, con conseguenti irruzioni fredde verso Sud e calde verso Nord. La corrente a getto acquista quindi ampie oscillazioni meridiane con lunghezza d’onda dell’ordine dei 4000-10000 Km, ovvero le Onde di Rossby.
La scoperta delle correnti a getto ha influenzato negli ultimi decenni le conoscenze relative all’origine e alla formazione dei sistemi perturbati extra-tropicali.

Nell'emisfero boreale le due correnti a getto maggiori, che soffiano da ovest a est, si trovano sul confine tra le cellule polari e quelle temperate.
Una terza corrente spira da est.
Nell'emisfero australe ci sono solo due flussi a getto, provenienti da ovest.

La corrente a getto dell'emisfero settentrionale sorvola il Canada, la Norvegia, la Finlandia, la Russia, la Siberia e l'Alaska, spingendosi a volte più a sud e a volte più a nord. 
Non viaggia però in cerchio, ma per compiere il giro della calotta terrestre percorre a seconda dei casi, 3, 4 ondulazioni, fino a 5, 6. Seguendo il lungo percorso "a serpentina" un pallone sonda immerso nella jetstream impiega circa due settimane per compiere una circumnavigazione completa. Ma la corrente a getto non è solo importante per il volo aereo: numero e disposizione delle ondulazioni determinano la tendenza stagionale su vaste regioni temperate.
Con una corrente a getto a tre ondulazioni, per esempio, si ha di solito un inverno mite su tutto l'emisfero settentrionale; d'estate le sinuosità sono generalmente quattro.

Le variazioni della corrente a getto dipendono dal combinarsi di numerosi fattori. Le Montagne Rocciose sono uno dei principali ostacoli incontrati da questo fiume d'aria quando esso, occasionalmente, scende di quota. Si deve proprio a tali montagne se talvolta le ondulazioni passano da tre a quattro o da cinque a sei. La corrente a getto può anche stabilizzarsi per periodi più o meno lunghi, determinando tendenze climatiche alla siccità o alla piovosità relativamente persistenti in alcune aree piuttosto che in altre.

Oltre alle grandi e ininterrotte correnti a getto appena descritte, ce ne sono altre intermittenti. Due sono chiamate "polari notturne" perché spirano ad alta latitudine, oltre i circoli polari, durante i sei mesi bui dell'inverno. Vanno da ovest a est e si trovano ad altissima quota. Un'altra corrente a getto si forma durante l'estate nella tropopausa sopra l'Africa e l'Oceano Indiano. È detta "corrente inversa" perché scorre da est a ovest. A generarla è il fatto che l'enorme massa d'aria sopra il continente asiatico si riscalda così in fretta, all'arrivo del bel tempo, che per un certo periodo essa è più calda della stessa aria sopra l'equatore. L'inversione in quota del normale gradiente di pressione fa quindi sorgere una forte corrente che è l'equivalente ad alta quota del fenomeno costituito a livello superficiale dai monsoni.
 

I FRONTI METEOROLOGICI
Come abbiamo detto, solo in teoria le masse d'aria confinate nelle celle non si possono mischiare tra loro.
Nella realtà, a causa della diversa distribuzione delle pressioni che variano continuamente, può avvenire che una massa d'aria appartenente ad una cella vada ad invaderne un'altra.
Questa massa d'aria ha in genere caratteristiche di umidità e temperatura differenti rispetto alle masse d'aria che incontra e questo produce i seguenti fenomeni:

Una massa d'aria fredda (ad esempio proveniente da una cella polare) si sovrappone ad una massa d'aria calda e umida (ricordo che la capacità dell'aria di trattenere vapore d'acqua in soluzione è funzione della temperatura, come meglio vediamo poi nel capitolo successivo, per cui l'aria fredda in genere contiene meno umidità dell'aria calda).
In questo caso l'aria fredda che arriva va a raffreddare l'aria calda locale, che quindi non riesce più a trattenere in soluzione il vapore d'acqua che condensa in microscopiche goccioline d'acqua liquida (o cristalli di ghiaccio) diventando visibile e formando delle nuvole (perturbazioni o meglio ancora FRONTE FREDDO).
L'aria calda è meno densa di quella fredda, e quindi presenta un attrito minore rispetto al suolo.
Per questo l'aria fredda riesce a sollevarla e a spostarla facilmente, generando fenomeni meteorologici intensi ma di breve durata.

  • Pressione atmosferica. Prima del passaggio avremo una diminuzione costante. Mentre il fronte passa la pressione raggiunge il minimo e aumenta subito dopo. Dopo che il fronte è passato  aumenterà gradualmente.
  • Vento. Prima del passaggio il vento varierà
    • Da sud-ovest a sud-est nell’emisfero nord
    • Da nord-ovest a nord-est nell’emisfero sud
    • Mentre il fronte passa il vento arriverà a raffiche anche importanti da direzione variabile. Dopo che il fronte è passato il vento virerà
    • Da nord a ovest o nord-ovest nell’emisfero nord
    • Da sud a ovest o sud-ovest nell’emisfero sud
  • Precipitazioni. Prima del passaggio è normale assistere a brevi acquazzoni. Mentre il fronte sta passando è certo che si scateneranno violenti temporali. Dopo che il fronte è passato continuano per un breve periodo gli acquazzoni seguiti da schiarite.
  • Nubi. Prima del passaggio avvistiamo cirri, cirrostrati, e cumulonembi. Mentre il fronte passa rimangono i cumulonembi. Dopo che il fronte è passato restano i cumuli.
  • Visibilità. Prima del passaggio visibilità abbastanza scarsa, presente anche foschia. Mentre il fronte passa rimane scarsa ma comincia a migliorare. Dopo che il fronte è passato la visibilità torna buona eccetto durante gli acquazzoni.
  • Umidità. Prima del passaggio è alta e stazionaria. Mentre il fronte passa l’umidità effettua un rapido salto. Dopo che il fronte è passato comincia a decadere.
  • Mare. Questo è il fronte di cui devi aver paura e possibilmente cercare di non attraversare. Crea zone di mare incrociato associato a forti raffiche di vento oltre a piogge violente.

Oppure una massa d'aria calda e umida invade una zona più fredda. L'aria calda si raffredda e anche in questo caso avremo la condensazione del vapore d'acqua con la produzione di goccioline visibili (nuvole - FRONTE CALDO).

  • Pressione atmosferica. Prima del passaggio avremo una diminuzione regolare. Mentre il fronte passa la pressione subirà un livellamento. Dopo che il fronte è passato assisteremo ad una leggera risalita con conseguente discesa (il fronte caldo è in genere seguito da un fronte freddo).
  • Vento. Prima del passaggio varierà direzione
    • Da sud a sud-est nell’emisfero nord
    • Da nord a nord-est nell’emisfero sud
    • Mentre il fronte passa il vento sarà variabile e molto forte. Dopo che il fronte è passato la direzione diventerà
    • Da sud-sudest nell’emisfero nord
    • Da nord-nordest nell’emisfero sud
  • Precipitazioni. Prima del passaggio è normale vedere grossi acquazzoni, neve, o anche pioggia fine e fitta. Mentre il fronte passa la pioggia fine rimane. Dopo che il fronte è passato generalmente svaniscono anche gli eventi precipitativi ad esso associati, a volte resta uno strascico di pioggia più o meno forte.
  • Nubi. Prima del passaggio avvistiamo cirri, cirrostrati, altostrati, nembostrati, seguito da strati e foschia; in estate cumulonembi. Mentre il fronte passa rimangono strati e qualche volta cumulonembi. Dopo che il fronte è passato grandi schiarite con strati sparsi, e, in estate, cumulonembi sparsi.
  • Visibilità. Prima del passaggio visibilità scarsa. Mentre il fronte passa migliora. Dopo che il fronte è passato la visibilità torna buona anche se rimane la foschia.
  • Umidità. Prima del passaggio aumenta regolarmente. Mentre il fronte passa l’umidità smette di aumentare e si regola. Dopo che il fronte è passato aumenta di nuovo e si stabilizza.
  • Mare. Incrociare in mare un fronte caldo significa combattere con vento forte e trovare condizioni di burrasca.
Come abbiamo detto in genere i "fronti" (le perturbazioni) si generano in prossimità della separazione tra celle.
Una depressione attira a se l'aria, che a causa della solita forza di Coriolis si mette a ruotargli intorno in senso antiorario.
 
Come abbiamo già detto, il fronte freddo è più veloce del fronte caldo.
Quando lo raggiunge i due fronti si uniscono e formano un "FRONTE OCCLUSO".
Si ha quando un fronte freddo, che in genere segue un fronte caldo, ma ha una velocità di spostamento superiore, riesce a raggiungerlo formando un fronte unico (terza figura). La linea che segna l’incontro tra i due fronti prende il nome di occlusione e il nuovo tipo di fronte viene chiamato fronte occluso. Esso presenta tre masse d’aria diverse.

Se l’aria che si trova davanti al fronte caldo è più fredda di quella che si trova dietro al fronte freddo, sarà quest’ultima più leggera e salirà sulla prima (nello scontro tra fronte freddo e fronte caldo avremo in successione aria fredda-aria calda-aria calda-aria fredda, quindi aria fredda-settore caldo-aria fredda). Si genera un’occlusione calda, chiamata in questo modo perché il fronte al suolo è un fronte caldo.

Se l’aria che si trova davanti al fronte caldo è meno fredda rispetto a quella che di trova dietro il fronte freddo, sarà quest’ultima più pesante e agirà come cuneo e solleverà la prima. Si genera un’occlusione fredda, chiamata così perché il fronte al suolo è di fatto un fronte freddo. Ognuno di questi fronti è accompagnato da uno complementare in quota, rispettivamente freddo o caldo. Come nel caso dei fronti “classici”, le caratteristiche della nuvolosità e delle precipitazioni dipendono dal grado di instabilità dell’aria del settore caldo che permane in quota. Nelle cartine del tempo il fronte occluso viene indicato da una linea con triangoli alternati a semicerchi (unione di un fronte caldo e un fronte freddo).
 
 
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