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Meteorologia
La Pressione Atmosferica
Oltre alla composizione ed alla temperatura, il terzo parametro importante per lo studio dell’atmosfera e dei fenomeni meteorologici è la pressione.
E’ fondamentale per il meteorologo conoscere la pressione dell’aria perché le differenze riscontrabili in essa, passando da una regione all’altra, rappresentando una forza capace di far muovere masse d’aria, influenzando in tal modo le condizioni del tempo.
I gas dell’atmosfera terrestre avvolgono il pianeta e non si disperdono nello spazio perché su di essi agisce l’attrazione di gravità. Essi per quanto leggeri hanno un peso, ed il peso dell’aria è il fattore che le conferisce la sua capacità di "spinta", la sua pressione intesa come forza che si esercita (che preme) contro gli oggetti.
La pressione è definita, infatti, la forza per unità di superficie. Se normalmente non ci rendiamo conto della pressione atmosferica è perché viviamo completamente circondati dall’aria, essa "preme" su di noi in tutte le direzioni; nella stessa misura. Inoltre l’aria contenuta nelle cavità corporee preme, insieme al sangue in circolo, contro le strutture del nostro corpo dall’interno verso l’esterno esercitando una pressione uguale a quella dell’aria esterna. Se, però, cambiamo rapidamente quota, ad esempio salendo o scendendo con un ascensore molto veloce, i timpani ci avvertono della rapida variazione di pressione.
Una colonna d’aria che grava su un centimetro quadrato di superficie terrestre e si estende fino al limite superiore dell’atmosfera, pesa 1033 grammi.
Possiamo, perciò, dire che l’atmosfera esercita una pressione di 1033 grammi su ogni centimetro quadrato di superficie terrestre (per ottenere lo stesso risultato con l’acqua bastano appena 10 m).
Il valore della pressione dell’aria fu misurato per la prima volta nel 1643 da Evangelista Torricelli, allievo di Galileo Galilei, mediante uno strumento di sua invenzione: il barometro a mercurio. Lo strumento è costituito da un tubo di vetro della lunghezza di circa un metro e con sezione di 1 cm ², chiuso ad un’estremità e riempito di mercurio e da una vaschetta, anch’essa piena di mercurio.
Torricelli capovolgendo il tubo pieno di mercurio nella vaschetta constatò che il liquido nel tubo scendeva di qualche
centimetro, fermandosi ben presto. Nel tubo restavano circa 76 cm. Lo spazio al di sopra del mercurio risultava privo d’aria: si era ottenuto, cioè, il vuoto.
In effetti in condizione di tempo bello e al livello del mare, il dislivello tra la sommità della colonnina di mercurio e la superficie della vaschetta è di 760 mm; e a questo valore è stato dato il nome di atmosfera.
Ma perché il mercurio non defluisce del tutto dal tubo capovolto?
Nel porsi questa domanda Torricelli dapprima pensò di spiegare questo comportamento alla luce della teoria di Aristotele, secondo la quale "la natura aborrisce il vuoto" (horror vacui), sarebbe stato, perciò, contrario alle leggi della natura se tutto il mercurio fosse defluito dal tubo lasciando all’interno di esso un vuoto continuo. Ma lo scienziato non si accontentò di tale spiegazione, anche perché notò che l’altezza della colonna di mercurio variava di giorno in giorno e "la natura non poteva provare un grado diverso di horror vacui a seconda dei giorni". Nel cercare altre spiegazioni giunse alla conclusione che il mercurio è mantenuto nel tubo dalla pressione che l’aria esercita sulla superficie libera del mercurio nella vaschetta.
Possiamo considerare il barometro a mercurio come una bilancia in cui il peso è esercitato dall’atmosfera sul mercurio della bacinella è controbilanciato dal peso del mercurio presente nel tubo.
L’impiego del mercurio è giustificato dal fatto che è il fluido più pesante di cui si dispone. Se si utilizzasse l’acqua il tubo avrebbe una lunghezza che supera i 12 metri.
I barometri a mercurio sono, però, piuttosto delicati e scomodi da trasportare perciò oggi gli si preferisce uno strumento molto pratico, il barometro aneroide (senz’aria), costituito da una scatoletta metallica flessibile, a forma di disco (capsula), al cui interno è stato fatto il vuoto. La pressione atmosferica produce la deformazione della capsula, una maggiore e minore pressione produce una maggiore o minore deformazione; questa variazione viene trasferita mediante un sistema di leve, a un indice che scorre lungo una scala graduata che fornisce i valori della pressione.
La pressione atmosferica non rimane la stessa nel tempo, ma varia in relazione a tre fattori: l’altitudine, la temperatura dell’aria e l’umidità dell’aria. Poiché la pressione atmosferica è dovuta al peso dell’aria che ci sovrasta, è ovvio che salendo di quota, poiché diminuisce la lunghezza della colonna dell’aria e, quindi il quantitativo d’aria che preme sul suolo, deve necessariamente diminuire il suo valore. La diminuzione di pressione all’aumentare della quota è piuttosto rapida: a 1000 m la pressione è già ridotta al 90% rispetto al livello del mare; a 5000 m si dimezza; a 30 km di altezza vale appena 1%.
Per quanto riguarda la variazione di pressione con la temperatura dell’aria quando questa viene riscaldata si dilata, diviene meno densa e quindi pesa meno di un uguale volume d'aria fredda.. Contrariamente a quanto potrebbe apparire, l’aria umida è più leggera, e non più pesante, dell’aria secca. Infatti parte delle molecole di ossigeno e di azoto sono sostituite da vapore acqueo, il cui peso molecolare risulta minore, quindi la presenza di una certa percentuale di vapore acqueo alleggerisce un volume d’aria.
Le unità di misura maggiormente usate per esprimere la pressione di un fluido, e quindi anche dell’aria, sono tre: il Kg/cm, i mm di Hg e l’atmosfera. In meteorologia si preferiscono altre due unità: la più usata è il millibar (mb), sottomultiplo del bar (1 dine/cm); di recente, per adeguarsi al sistema internazionale di unità di misure, l’organizzazione meteorologica mondiale ha scelto come unità di pressione atmosferica l’ettopascal (h Pa), pari a cento pascal (1N/m)il cui valore è pari a 1 millibar.
La pressione atmosferica normale (misurata cioè al livello del mare, alla latitudine di 95° e alla temperatura di 0°C) corrisponde al valore di 1013,2 h Pa (1013,2 mb), pari a 760 m Hg, a 1,033 Kg/cme a 1 atmosfera.
La pressione atmosferica, come la temperatura, viene misurata sistematicamente nelle stazioni meteorologiche; queste sono dotate di barometri molto precisi e di barografi, strumenti che forniscono un tracciato su carta dei valori della pressione
Generalmente a valori elevati di pressione corrisponde tempo buono, a valori bassi tempo perturbato.Con l’insieme dei valori registrati vengono disegnate carte della distribuzione della pressione. In esse vengono congiunti i punti della Terra con uguale pressione atmosferica (considerata al livello del mare) ottenendo delle linee chiamate isobare.
Nelle carte isobariche si individuano aree di alta pressione (aree anticicloniche o anticiclone) e aree di bassa pressione (aree cicloniche o cicloni). Nel primo caso le isobare racchiudono valori progressivamente più elevati, nel secondo contengono valori decrescenti.Su una carta delle isobare le aree anticicloniche vengono indicate con una A, quelle cicloniche con una B.