L’atmosfera è un miscuglio di gas e vapor acqueo così organizzato:

78% Azoto (N2)
21% Ossigeno (O2)
0.94% Argon
0.035% di anidride carbonica
Tracce di altri gas.
Il vapore acqueo ha una variabilità spaziale elevata.

Sin circa alla quota di 100 Km la composizione chimica rimane sostanzialmente costante, questo grazie al rimescolamento delle masse d’aria. Questa porzione atmosferica viene chiamata Omosfera. Oltre i 100 Km si parla di Eterosfera e prevalgono i fenomeni di fotodissociazione.
All’interno di queste due macroregioni vi sono ulteriori suddivisioni, che ora brevemente tratteremo.
Se la Terra fosse di composizione omogenea, non ruotasse su se stessa e l’asse polare fosse normale all’Eclittica (ossia al piano orbitale della Terra), si innescherebbe un unico moto atmosferico dall’equatore al polo (e vice versa), nell’eterno tentativo di riequilibrare il costante squilibrio termico tra i poli e l’equatore (l’atmosfera è termalizzata a partire dal basso).
Si tratterebbe dunque di un modello a cella atmosferica unica dal polo all’equatore per ogni emisfero (o vice versa se preferite).
Ma la Terra non è omogena nella sua struttura superficiale (continenti e oceani), ruota su se stessa e ha l’asse polare inclinato di poco più di 23 gradi circa sull’eclittica. Tutto ciò fa sì che la struttura reale dell’atmosfera terrestre sia organizzata, mediamente su un lungo periodo, su tre celle (sia nell’emisfero Nord che Sud) chiamato modello di Bergeron (Tor Bergeron, scuola norvegese, fu il primo a comprendere anche il meccanismo di formazione della pioggia).

Diapositiva n.10

Dall’immagine mostrata nella diapositiva 10, si può notare, oltre al calo della pressione atmosferica con la quota, come la struttura dell’atmosfera sia caratterizzata da moti ascendenti e discendenti disposti a 30 gradi di latitudine e a 60 gradi di latitudine Nord e Sud, nonché la presenza di una zona di convergenza all’equatore (Chiamata convergenza intertropicale o ITCZ )
Le zone di ascendenza e discendenza extratropicali vengono chiamate cinture bariche. Tra breve ne comprenderemo la natura.
Si nota anche un fenomeno di trascinamento verso Est delle masse d’aria e ciò è dovuto proprio alla rotazione della Terra (Forza di Coriolis).
La convergenza intertropicale crea a venti piuttosto costanti chiamati Alisei o, nel mondo anglosassone, anche Trade Wind (venti commerciali).
Vennero chiamati venti commerciali dalla marina inglese, poiché sostanzialmente sempre presenti e quindi affidabili per la navigazione commerciale al tempo delle colonie.
La struttura di Bergeron è, come detto, una caratteristica che emerge dalla media dei moti atmosferici su un periodo di tempo lungo. La stagionalità difatti deforma in modo anche significativo la struttura tipica, anche la struttura sostanzialmente più stabile ovvero l’ITCZ. Nella diapositiva 11, che segue, viene mostrata la posizione dell’ITCZ in inverno ed in estate (particolarmente evidente la deformazione sul settore indiano dovuta al Monsone)

Diapositiva n.11

Ora trattiamo rapidamente le caratteristiche dell’atmosfera al salire della quota (diapositiva 12).

Diapositiva n.12

Ricordiamo che l’atmosfera è sostanzialmente riscaldata dal basso (il suolo termalizza la radiazione solare), ma, come mostrato nella diapositiva 12, il calo termico non è costante anzi, in una certa regione atmosferica la temperatura si inverte e cresce con la quota.
Sino al 1953 vi fu una lunga ed accesa discussione su come classificare (e se classificare) le regioni atmosferiche al variare della quota, poi si optò per la separazione al variare della temperatura.
Come abbiamo visto nella diapositiva 11, in termini di pressione non c’è discontinuità, mentre la temperatura offre questa possibilità e ben mappa caratteristiche differenti delle varie regioni (in particolare delle prime due a partire dal suolo).
Quindi, brevemente, partendo dal suolo abbiamo la Troposfera, che si spinge sino alla quota di circa 18 Km all’equatore e circa 8 km al polo. In questa zona avvengono quasi tutti i fenomeni legati all’attività atmosferica e la troposfera raccoglie in sé circa i tre quarti dell’intera massa atmosferica terrestre.
In questa regione è raccolta la pressoché totalità del vapore acqueo, elemento chiave per la dinamica atmosferica. La temperatura cala mediamente di 6.4 gradi per km di quota.
La differenza d’altezza della Troposfera tra l’equatore il Polo, è probabilmente dovuta alla differente importanza (forza) dell’attività convettiva.
Dal grafico di Molliere emerge come, al variare della temperatura dell’aria, cambi la quantità d’acqua che il volume d’aria unitario può contenere prima di raggiungere la saturazione.
La saturazione è il fattore determinante per la genesi delle nubi e della pioggia (nonché, purtroppo per noi, anche della nebbia. La nebbia è una nube al suolo).
Il grafico di Molliere mostra come all’aumentare della temperatura, aumenti anche la quantità di grammi d’acqua necessari per raggiungere la saturazione.
Se una particella d’aria umida sale dal basso verso l’alto raffredderà e prima o poi arriverà al punto di condensazione. Da qui, in modo semplice, la genesi delle nubi.
Cosa non così nota, si sappia che l’aria umida è più leggera dell’aria secca.
Tuttavia, al limite superiore della troposfera la temperatura si inverte e sin verso gli 50 Km la temperatura tende a risalire (ciò per la presenza dell’ozono che interagisce con gli ultravioletti emessi da Sole). Siamo nella Stratosfera, che prende il nome proprio dalla sua tendenziale natura stratificata (inibizione della convezione).
E’ importante sottolineare come anche nella stratosfera vi siano moti di masse d’aria (non convettivi) e come questi abbiano importanti risvolti sull’attività troposferica.
Ragionando sempre sul diagramma di Moliere, si intuisce che a partire dalla stratopausa viene sfavorita la condensazione e, poiché si è in presenza di inversione termica, anche la convezione (pilotata proprio dal calare della temperatura in troposfera).
Ciò è il motivo per cui, come detto, pressoché tutta l’attività atmosferica si svolge nella troposfera e in Troposfera si generano le figure di bassa pressione e alta pressione.

Diapositiva n. 13

Ricordiamo come nella diapositiva 10 sia sinteticamente descritta la tipica caratterizzazione strutturale dell’atmosfera (sistema tricellulare e cinture bariche )
Il moto delle masse d’aria, soggette alla forza di Coriolis, crea delle strutture che richiamano aria verso il loro centro oppure, alla rovescia, tendono a spingere l’aria lontana dal loro centro.
Se la struttura richiama aria a sé, viene definita ciclonica (l’aria sale dal basso verso l’alto), mentre se la spinge lontano dal suo centro si definisca anticiclonica (l’aria scende dall’alto verso il basso). Dalla diapositiva 13 si può notare che questo concetto parte dalla situazione al suolo, poiché se al suolo si ha una certa figura barica (ciclonica o anticiclonica), in quota la struttura diviene esattamente il contrario.
Sempre dal diagramma di Molliere (diapositva 12) si può intuire come siamo le aree in cui vi è ascendenza delle masse d’aria (area ciclonica al suolo) a favorire la genesi delle nubi, mentre nelle strutture in cui vi è discendenza della massa d’aria (aree anticicloniche al suolo), viene sfavorito il fenomeno della condensazione.
La pressione è una traduzione del concetto di peso; la pressione indica il peso che la colonna dell’atmosfera ha in un dato luogo.
Quindi ove l’aria è più pesante (secca) si tende ad avere una pressione più alta e vice versa. Osservando la dinamica ciclonica e anticiclonica (con riferimento il suolo) si comprende che, come appena chiarito, l’ascendenza favorisce la condensazione e ciò rende più secca l’aria in quota. Poiché le strutture ascendenti pescano inizialmente in quota, partono con aria più secca e pertanto più pesante.
Ecco il passaggio che lega il concetto di anticiclone a quello di alta pressione e di ciclone a quello di bassa pressione.
Chiudiamo brevemente ricordando che oltre la Stratosfera si trova la Mesosfera, nella quale la temperatura cala rapidamente.
Salendo ancora di quota si entra nella Termosfera, in cui iniziano a prevalere i meccanismi di fotodissociazione del gas atmosferici.
Ora cercherò di farvi capire un concetto molto importante relativo alla pressione e alla sua rappresentazione grafica, quindi non spaventatevi subito sulla prossima diapositiva. Questo ci servirà per tradurre al meglio ciò che tra breve vi mostrerò.

Diapositiva n.14

Una rappresentazione canonica della disposizione delle figure bariche (alte pressioni e basse pressioni) in un dato momento, passa attraverso il concetto di geopotenziale. Il geopotenziale è il lavoro che si deve compiere per muovere una particella d’aria dal suolo (geopotenziale nullo) ad una data quota. L’altezza del geopotenziale è il rapporto tra il geopotenziale e la forza di gravità media a livello del suolo. Ciò permette di misurare l’altezza del geopotenziale in metri a partire dal suolo. Quindi per chiarire ancora meglio, per comprendere il significato dell’altezza del geopotenziale la domanda da porsi è, dato un piano isobarico (ossia un dato valore di pressione), “qual è la quota (quindi l’altezza del geopotenziale) a cui si incontra quel valore di pressione?”
Nelle aree di alta pressione questa quota si troverà più in alto (si parte dal suolo che è zero e si va in alto, quindi a ritroso rispetto ai valori di pressione), mentre nel caso di basse pressioni più in basso.
L’immagine in diapositiva 14 ci indica proprio questo. Nell’immagine a sinistra nella dispositiva (che è in due dimensioni) il concetto di quota più alta e quota più bassa è segnalata dalla scala ai falsi colori, ma se osserviamo la carta in tre dimensioni (immagine di destra in diapositiva 14), si comprende che la scala colore in realtà non è che una rappresentazione di una geodetica del geopotenziale.
Di fatto è come se stessimo guardando un panorama montuoso, ove i colli sono le alte pressioni e le valli le basse pressioni. Difatti le linee che uniscono le medesime quote dell’altezza del geopotenziale, altro non sono le normali isoipse (anche chiamate curve di livello) che incontriamo in una qualsiasi carta geografica fisica.
Questa rappresentazione è intuitiva e molto potente e per questo è normalmente utilizzata nelle carte meteorologiche. Il livello isobarico d’analisi di della diapositiva 14 è di 500 hPa ossia la media troposfera. Un livello barico davvero importante per l’analisi delle sorti del tempo.
Ora riprendiamo un momento quanto visto a proposito dell’organizzazione verticale delle aree cicloniche e delle aree anticicloniche (diapositiva 13) e ricordiamo come il limite superiore della convezione troposferica sia la stratopausa. E possibile vedere materialmente organizzata una struttura siffatta? La risposta è sì. Osservate la dispositiva che segue.

Diapositiva n. 15

Ecco un maestoso cumulonembo (diapositiva 15) in fase matura e ben si nota come questo tipo di struttura impegni praticamente tutto il corpo della troposfera. In testa la nube si apre come una sorta di cappello, segno del raggiungimento della stratopausa e quindi dell’arresto dell’ascesa della massa d’aria (fine del processo convettivo). Più in generale le strutture perturbate delle medie latitudini si organizzano attorno ai minimi di bassa pressione e danno vita ai cosiddetti fronti. I temporali (cumulonembi) frequentemente sono associati a strutture di questo tipo in un contesto estivo, ma a seguito del transito frontale (e specialmente nei prefrontali) possono fiorire come entità locali a sé stanti.
I fronti sono la fascia (abbastanza sottile) in cui si hanno le fenomenologie più intense dei cicloni extratropicali e si tratta delle zone d’interazione tra due masse d’aria differenti (una più fredda e una più calda). I fronti si distinguono in freddi, caldi e occlusi a seconda della dinamica delle masse d’aria coinvolte

Diapositiva n. 16

Nella diapositiva 16 è mostrata l’immagine Meteosat di un ciclone extratropicale, in cui vi sono i tre principali tipo di fronti. Il fronte caldo precede il fronte freddo e l’occlusione, che si è già formata attorno al minimo di pressione (nella mappa sinottica il fronte freddo è la linea blu coi triangoli, il fronte caldo la linea rossa coi semicerchi e il fronte occluso la linea viola coi triangoli e i semicerchi). L’aria fredda viaggia più velocemente dell’aria calda e quando la raggiunge, chiudendo il settore caldo, si forma l’occlusione. Ecco altri esempi.

Diapositiva n. 17
Diapositiva n. 18

La diapositiva n. 18 mostra l’evoluzione di un ciclone extratropicale e la rara immagine aerea di un fronte caldo, in cui emerge distintamente il piano inclinato su cui scorre l’aria più calda.