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La pressione atmosferica

La pressione atmosferica è il rapporto tra il peso dell'aria e la superficie su cui essa agisce.

La pressione atmosferica al livello del mare, alla latitudine di 45°(ovviamente con un valore di accelerazione di gravità pari a $9,81m/s^{2}$) e alla temperatura di 0 °C, esercita una pressione su una superficie equivalente alla pressione che una colonnina verticale di mercurio alta 760 mm e avente sezione uniforme di $1cm^{2}$, esercita su una superficie di pari dimensioni.

Unità di misura

Questo valore corrisponde a circa $1033g/cm^{2}$ (o $1013\times 10^{3}dyn/cm^{2}$) e rappresenta l'unità di pressione, detta anche pressione normale, e prende inoltre il nome di "atmosfera".

Ormai in Meteorologia l'unità di misura adottata universalmente è il millibar (mb), che è uguale a $1000dyn/cm^{2}$.

La dina, il cui simbolo è "dyn", è l'unità di misura della forza nel sistema C.G.S..

La pressione normale di 760 mmHg (dove mmHg sta per altezza in millimetri della colonnina di mercurio) equivale a circa 1013 millibar.

Nel Sistema Internazionale delle misure, l'unità di pressione è il "pascal" (Pa), cioè la pressione esercitata dalla forza di 1 N (newton) sulla superficie di $1m^{2}$. Un suo multiplo, l'"ettopascal" (hPa), corrisponde a 1 millibar e per questa ragione è questa l'unità di misura più usata per esprimere i valori della pressione atmosferica.

Strumenti di misura

Barometro aneroide

Per misurare la pressione atmosferica ci si serve di un strumento detto "barometro" (dal greco bàros =peso e métron = misura), progettato dal noto fisico Evangelista Torricelli nel 1643. Ce ne sono di vari tipi:

• barometri a mercurio.
• barometri aneroidi (privi di liquido), la pressione viene misurata dalla deformazione elastica che essa produce sulle pareti di un recipiente di metallo entro cui è stato fatto il vuoto.
• barometri barografi, sono particolari barometri aneroidi adoperati per ottenere una registrazione continua delle variazioni della pressione. L'indice di questo tipo di barometro è munito di una punta scrivente che poggia su una striscia di carta avvolta su un rullo in rotazione.

Il peso dell'aria, che grava sulla superficie terrestre, per via dell'attrazione gravitazionale che la "attira" verso il centro della Terra, non è costante ma varia da luogo a luogo della superficie terrestre e da momento a momento nella stessa località.

Fattori geografici e meteorologici che determinano la pressione atmosferica

I fattori principali, che determinano i valori della pressione atmosferica sono:

• l'altitudine: la pressione diminuisce elevandosi sopra il livello del mare, perché si riduce lo spessore della colonna d'aria sovrastante che grava sull'unità di superficie.
• la temperatura dell'aria: la pressione diminuisce al crescere della temperatura dell'aria. Quando si riscalda, una massa d'aria si espande, diviene meno densa e quindi il suo peso diminuisce e tende a spostarsi verso l'alto. Quando si raffredda, le masse gassose subiscono una contrazione, l'aria tende quindi a diventare più densa, più pesante e tende a tornare verso il basso. Di conseguenza, due masse d'aria, aventi uguale volume e composizione, ma differente temperatura, avranno pressione diversa: minore quella calda, maggiore quella fredda.
• l'umidità dell'aria: la pressione diminuisce con l'aumentare della quantità di vapore acqueo presente nell'aria. A parità di temperatura, l'aria umida è più leggera di quella secca, perché le particelle di vapore acqueo pesano meno di quelle dei gas che compongono l'aria secca (il rapporto è circa di 3/5).

Le isobare

Lo studio della distribuzione della pressione atmosferica sulla superficie terrestre si esegue segnando sulle carte geografiche le isobare, ovvero linee chiuse (ideali) che uniscono i punti della superficie terrestre che hanno la stessa pressione (ridotta al livello del mare, alla temperatura di 0°C e alla gravità normale).

Le isobare delimitano zone dove la pressione è più alta (dette aree anticicloniche o anticicloni, A nella carta) da altre dove la pressione è più bassa (dette aree cicloniche o cicloni, B nella carta).

Gli anticicloni sono le aree nelle quali l'aria, relativamente più densa e quindi più pesante, tende a spostarsi verso il basso, con moto vorticoso, verso le zone di bassa pressione circostanti.

I cicloni sono quelle aree nelle quali l'aria, meno densa, si sposta verso l'alto e converge vorticosamente al centro.

Il concetto di alta e bassa pressione non si riferisce a valori assoluti, ma esprime solo un concetto relativo: un'area è anticiclonica quando la sua pressione è maggiore di quella delle aree vicine, è ciclonica se la pressione è minore.

Gradiente barico orizzontale

Dove le isobare sono molto vicine, la pressione cambia rapidamente; dove sono molto spaziate, le variazioni bariche sono poco accentuate. Una esatta valutazione di queste variazioni si ottiene considerando il gradiente barico orizzontale, che è il rapporto fra la differenza di pressione esistente tra due punti e la distanza che li separa, misurata perpendicolarmente alle isobare. L'unità adottata per esprimere il gradiente barico è 1mb/11km (cioè la differenza in millibar per ogni grado di meridiano di distanza).

Le differenze nella distribuzione orizzontale della pressione causano trasferimenti d'aria che tendono a ristabilire l'equilibrio barico, esplicando anche l'importante funzione di ripartire più uniformemente il calore. I movimenti di masse d'aria che si spostano parallelamente alla superficie terrestre, dalle zone anticicloniche verso le zone cicloniche, sono i venti.

Fonti

#Terra con chimica, Zanichelli

Il Globo terrestre e la sua evoluzione, Zanichelli

YouMath, lezioni di fisica, Dyna-dyn

YouMath, lezioni di fisica, Pressione atmosferica

I venti

Cosa sono?

Il vento è il movimento di una massa d'aria atmosferica da un'area con alta pressione (anticiclonica o anticiclone) a un'area con bassa pressione (ciclonica o ciclone), quindi esso è la conseguenza delle differenze di pressione atmosferica.

Come avviene questo fenomeno?

I venti locali nel mondo (vedi circolazione locale)

Il Sole non riscalda uniformemente le masse d’aria al di sopra della superficie terrestre: l'aria fredda, essendo più densa e di conseguenza più pesante, tende a spostarsi verso il basso e a muoversi verso le aree di bassa pressione, prendendo quindi il posto dell'aria calda, che essendo molto meno densa, si sposta verso l'alto; la densità, poi, cambia in relazione al contenuto di umidità dell’aria (è meno densa dove l’umidità è maggiore). Così nascono i venti, che soffiano dalle zone di alta pressione a quelle di bassa pressione per ristabilire l’equilibrio.

I venti si sviluppano con un andamento orizzontale, ma è importante ricordare che ,a causa della rotazione terrestre, vengono deviati verso destra nell’Emisfero Boreale e verso sinistra nell’Emisfero Australe, quindi si può affermare che nel nostro emisfero essi "escono" dagli anticicloni con una rotazione in senso orario ed "entrano" nei cicloni in senso antiorario, invece nell'Emisfero Australe avviene la situazione inversa. Ciò è dovuto alla presenza di una forza chiamata "Forza di Coriolis". In verticale, diversamente, si muovono le correnti atmosferiche, dovute a cause differenti.

Alcune precisazioni

A causa dell'effetto di Coriolis, che non è presente all'equatore, il vento soffia parallelamente alle isobare (vento geostrofico), descritte nella pressione atmosferica. Nonostante ciò, alle basse quote, (inferiori ai 600 m) c'è da considerare che l'attrito con la superficie terrestre può modificare la direzione del vento di circa sopra mare e terra, di conseguenza il percorso dall'alta pressione alla bassa pressione sarà più diretto e violento.

I venti, talvolta, sono definiti da un equilibrio di forze fisiche. Questi vengono usati nell'analisi delle varie caratteristiche del vento e , grazie ad essi, si ottengono dati sulla distribuzione orizzontale e verticale dei venti attraverso opportuni calcoli, ottenendo quindi varie tipologie di vento, le quali contribuiscono a una migliore comprensione riguardo a come avviene il fenomeno e quali effetti può avere, così ottenendo sempre più informazioni.

Come si effettua la misurazione del vento?

La misurazione del vento viene svolta prendendo in considerazione due elementi essenziali: la direzione e l'intensità. l primo è espresso, appunto, in base alla direzione da cui soffia il vento, indicata con il simbolo del punto cardinale da cui il esso proviene; il secondo è indicato invece in metri al secondo, in chilometri orari o nodi, uno dei quali corrisponde ad miglio nautico. Gli strumenti utilizzati sono chiamati anemometri, che possono essere di diversi tipi. Quello attualmente di maggior uso è definito anemoscopio a banderuola e funziona attraverso un mulinello a coppe, il quale quindi ruota tanto più rapidamente quanto più il vento giunge con profondità e violenza. La rotazione, successivamente, viene trasformata in velocità del vento. La banderuola, inoltre, si orienta seguendone la direzione, quindi la componente geografica. Esiste anche un anemometro che usa i tubi di Pitot, che sfruttano la differenza di pressione tra un tubo interno e uno esterno esposto al vento e permettono di determinare la dinamica della pressione, poi usata per calcolare la velocità. In tutto il mondo la velocità del vento viene misurata a dieci metri di altezza e calcolando la media su dieci minuti di misurazione, ci sono chiaramente anche alcune eccezioni. L'intensità del vento aumenta in media con la quota a causa della diminuzione dell'attrito con la superficie terrestre e la mancanza di ostacoli (vegetazione, edifici, colline e montagne). Per misurare i venti in quota, inoltre, vengono usate radiosonde monitorate con il GPS, navigazione radio o il radar, che implicano dei procedimenti complessi per poi ottenere dati più specifici e che riguardano precise situazioni. L'insieme dei venti e delle correnti aeree atmosferiche genera la circolazione atmosferica.

Venti periodici e venti costanti

L'andamento nel tempo dei venti ne crea una suddivisione. Esistono infatti venti costanti, che soffiano nel corso di tutto l'anno (come gli alisei), e venti periodici (come brezze e monsoni), che dipendono invece da fenomeni stagionali. Troviamo poi i venti dominanti, i quali corrispondono a quelli che in una regione o in un determinato territorio risultano in media più intensi. Oltre a questi, ricordiamo anche i venti stagionali, il cui esempio principale è dato dai monsoni. Vediamone le caratteristiche, nominando i monsoni presenti nell'Oceano Indiano e nella fascia continentale che va dalle coste della Somalia a quelle della Cina orientale: si tratta di venti periodici che soffiano dal continente all'oceano in inverno e dall'oceano al continente in estate, così determinando monsoni invernali ed estivi. Questi ultimi si verificano in estate, quando l'aria è calda e c'è una generale basa pressione, verso la quale si muove, dall'oceano (con pressione maggiore), aria umida, che determina conseguenti piogge. Quelli invernali, invece, sono determinati da una bassa pressione sull'oceano, infatti qui l'aria si raffredda più lentamente rispetto a quella sulle terre,dove la pressione è quindi maggiore. E' dunque possibile affermare che in questo caso i venti soffiano dal continente al mare, questa volta privi di umidità, perciò molto secchi.

La brezza - circolazioni locali

Brezze di mare e di terra

Le brezze di mare e di terra sono venti locali causati da un diverso riscaldamento di terra e mare. Di giorno il suolo si riscalda rapidamente in riva al mare e trasmette il calore all'aria, quindi sulla terraferma è presente una bassa pressione e sul mare una pressione maggiore. Il risultato è la brezza di mare, ovvero il movimento d'aria dal mare verso la terra. Di notte, è la terra a raffreddarsi più velocemente, ed è qui che si trova un'alta pressione, che determina la presenza della brezza di terra, nella quale l'aria, dalla terra, giunge verso il mare.

Brezze di monte e di valle

Come abbiamo appena osservato, anche ad alta quota avviene un cambiamento di circolazione dell'aria, dovuto alla differenza di riscaldamento dell'aria vicino al suolo (che tende a scaldarsi più rapidamente rispetto a quella lontana da esso), si ottiene così un abbassamento di pressione. Esistono alcune zone in cui colline e valli agiscono sulle correnti bloccando il flusso dell'aria, deviandolo in maniera parallela alla parente montuosa e spingendolo a monte. Questo fenomeno è chiamato barrier jet e tende ad aumentare i venti a bassa quota fino al 45%. Inoltre, se si trova un passo nella catena montuosa, a causa del principio di Bernoulli, i venti virano ad una velocità maggiore a bassa quota e assumono nomi differenti regione per regione, ma in generale sono conosciuti come venti di caduta, caldi e asciutti.

Fonti:

https://www.ilmeteo.net/notizie/divulgazione/come-si-misura-il-vento-.html

http://www.treccani.it/enciclopedia/vento_%28Enciclopedia-dei-ragazzi%29/

#Terra con chimica, Zanichelli

Scala di Beaufort

Scala di Beaufort

Che cos'è la scala di Beaufort?

La scala di Beaufort è una misura empirica della forza del vento misurata in 17 gradi o numeri basata sulle condizioni del mare. All'inizio era formata da 13 gradi ma poi ne sono stai aggiunti 5 relativi agli uragani arrivando così a 17. Questa scala contiene venti di velocità medie differenti partendo dal minore arrivando al maggiore abbiamo: Calma, Bava di vento, Brezza leggera, Brezza tesa, Vento moderato, Vento teso, Vento fresco, Vento forte, Burrasca, Burrasca forte, Tempesta, Fortunale o tempesta violenta, Uragano.

Scala di Beaufort	Descrizione	Velocità del vento (Km/h)
0	calma	0-1
1	bava di vento	2-5
2	brezza leggera	6-11
3	brezza	12-19
4	brezza vivace	20-28
5	brezza tesa	29-38
6	vento fresco	39-49
7	vento forte	50-61
8	burrasca moderata	62-74
9	burrasca forte	75-88
10	tempesta	89-102
11	fortunale	103-117
12	uragano	>117

Conversione di un nodo in altre unità di misura

1 nodo =

0,514 444 m/s

1,852 km/h

1,15 mph

1 NM/h

Legenda dei simboli del vento

Descrizione	Velocità del vento
Calma
Mezza bandiera	5 nodi (9 km/h)
Bandiera intera	10 nodi (19 km/h)
Pennone	50 nodi (93 km/h)
Esempi
65 nodi (120 km/h) di vento
25 nodi (46 km/h) di vento

La direzione del vento è data dalla direzione verso cui è rivolto l'ardiglione.

Un nodo equivale ad 1,852 Km/h ovvero un miglia nautico allora.

Classificazione e nomenclatura dei venti

I venti si classificano in costanti, periodici, locali e ciclonici. Molti di questi sono già stati trattati precedentemente ora andiamo a vederne alcuni nel dettaglio.

Schema vento catabatico

Venti catabatici ed anatabici

I venti catabatici sono venti discendenti da un pendio montuoso (ad esempio nei meccanismi di foehn) o da un plateau (es. in Groenlandia o in Antartide). All'opposto sono venti anabatici quelli che salgono verso l'alto di un pendio (es. sempre durante meccanismi di foehn).

Venti locali

I venti locali sono dei venti che hanno una nomenclatura diversa in base al luogo dove soffiano regolarmente soprattutto nelle zone temperate.

Nell'area interessata dal mar Mediterraneo si usa classificare i venti sulla base della Rosa dei venti, riprendendo l'antica nomenclatura derivante dall'antica Grecia, che presumeva l'osservatore posto al centro del mar Ionio, a nord-ovest delle isole egee, in direzione della Sicilia.

I venti del Mediterraneo
tramontana grecale levante scirocco ostro libeccio ponente maestrale

• Nord (N 0°) anche detto settentrione o mezzanotte e dal quale spira il vento detto tramontana;
• Est (E 90°) anche detto oriente o levante e dal quale spira il vento detto levante;
• Sud (S 180°) anche detto meridione e dal quale spira il vento detto mezzogiorno oppure ostro;
• Ovest (W 270°) anche detto occidente o ponente e dal quale spira il vento detto ponente.

Tra i quattro punti cardinali principali si possono fissare 4 punti intermedi:

• Nord-est (NE 45°), dal quale spira il vento di grecale (chiamato anche greco);
• Nord-ovest (NW 315°), dal quale spira il vento di maestrale;
• Sud-est (SE 135°), dal quale spira il vento di scirocco;
• Sud-ovest (SW 225°), dal quale spira il vento di libeccio (garbino umido)

Energia eolica

Energia eolica è l'energia cinetica prodotta dall'aria in movimento. Il totale di energia eolica che fluisce attraverso una superficie immaginaria A durante il tempo t è:

${\begin{aligned}E&={\frac {1}{2}}mv^{2}\\&={\frac {1}{2}}(Avt\rho )v^{2}\\&={\frac {1}{2}}At\rho v^{3}\end{aligned}}$

p=densità dell'aria,

v =velocità del vento;

Avt =volume di aria che passa attraverso A (che è considerato perpendicolare alla direzione del vento);

Avtρ =la massa m che passa per l'unità di tempo. Notare che ½ ρv2 è l'energia cinetica dell'aria in movimento per unità di volume.

La potenza è l'energia per unità di tempo, per l'energia eolica incidente su A (ad esempio uguale all'area del rotore di una turbina eolica) è:

${\begin{aligned}P&={\frac {E}{t}}\\&={\frac {1}{2}}A\rho v^{3}\end{aligned}}$

L'energia eolica in una corrente d'aria aperta è quindi proporzionale alla terza potenza della velocità del vento: la potenza disponibile aumenta quindi di otto volte se la velocità del vento raddoppia. Turbine eoliche per la produzione di energia elettrica devono quindi essere particolarmente efficienti a una maggiore velocità del vento.

Schema di una turbina eolica

Energia catturata da una turbina eolica

L'energia eolica può essere interamente catturata da una turbina solo se la velocità del vento viene ridotta a zero. In uno scenario realistico ciò è impossibile, dato che l'aria passa attraverso la turbina senza fermarsi. La massima estrazione raggiungibile dell'energia eolica da una turbina è pari al 59% del totale dell'energia teorica.

Esistono però altri fattori che riducono il rendimento della turbina, come la frizione delle pale dei rotori, perdite dovute alla meccanica del rotore, perdite dei generatori e convertitori, ecc. Approssimativamente le turbine eoliche riescono a sfruttare e trasformare in energia elettrica un terzo dell'energia che catturano.

Note

Fonti

-Wikipedia (vedi link di collegamento su alcune parole).

-Treccani on-line.

-Libro di testo per le scuole secondarie di secondo grado "Terra con chimica", autore: Zanichelli.

La circolazione generale dell'aria

Mentre su scala locale i venti soffiano spesso in modo irregolare, su scala globale si possono individuare delle fasce ben delimitate.

Il motore dell'intera circolazione atmosferica è il Sole che riscalda la superficie terrestre con intensità variabile. Nella bassa troposfera esistono tre sistemi di venti che hanno origine da zone di pressione differente.

• La Cella di Hadley va dalla fascia equatoriale fino a quella tropicale. In prossimità dell’Equatore l’aria, riscaldata, sale originando una fascia di basse pressioni equatoriali e raggiunge la tropopausa. Una volta raffreddata l'aria ridiscende a una latitudine di circa 30°, in corrispondenza delle latitudini subtropicali, creando in basso due fasce di alte pressioni subtropicali. L'aria ridiscesa finisce per convergere nuovamente al suolo verso l'equatore attraverso i venti alisei che spirano da nord-est verso sud-ovest nell'emisfero boreale e da sud-est-verso nord ovest in quello australe. Nella cella di Hadley altri venti importanti oltre agli alisei sono i monsoni.
• Dalle fasce di alta pressione subtropicale l’aria prende due strade diverse: in parte ritorna verso le zone di bassa pressione situate all’Equatore, in parte si dirige verso le basse pressioni subtropicali a 60° Nord e Sud di latitudine: creando così le celle di Ferrel. La Cella di Ferrel è la cella che copre la zona temperata ovvero le medie latitudini va da ovest verso est a tutte le quote, come conseguenza della rotazione terrestre.
• La Cella Polare interessa i poli fino al circolo polare. Il raffreddamento dell’aria che di conseguenza scende, da origine alle alte pressioni polari. Nella zona di contatto tra masse d'aria a temperatura e umidità diversa provenienti dalla Cella di Ferrel e quella Polare si produce ascesa d'aria dando vita a centri di bassa pressione semi-permanenti, come ad esempio la depressione d’Islanda o la depressione delle Aleutine nell'emisfero settentrionale, e dunque cattivo tempo.

Correnti a getto

Tra gli 8 e i 15 km al i sopra della superficie terrestre si forma una corrente d’aria molto veloce con traiettorie curve che circola generalmente da ovest verso est, spesso in modo ondulatorio e intermittente, con discese verso l’Equatore (chiamate “seni”) e risalite verso il polo (dette “creste”). La corrente a getto polare separa masse d’aria calda, mentre quella subtropicale non sembra legata alle differenze di temperatura. Vicino alle correnti si trovano abitualmente fonti e aree di bassa pressione.