METEOROLOGIA

METEOROLOGIA (XXIII, p. 73; App. II, 11, p. 301)

La m. non è rimasta estranea al progresso degli studî scientifici seguito alla seconda guerra mondiale, beneficiando in qualche modo anche essa, come molte altre discipline, della maggiore considerazione che a tali studî è derivata presso la pubblica opinione dal verificarsi di alcuni eventi di portata storica, quale, ad es., l'invio di satelliti artificiali e di razzi nello spazio extraterrestre.

Tuttavia il cammino della m. è rimasto caratterizzato anche in questo periodo da una certa lentezza, se paragonato alle folgoranti conquiste in molti altri settori: la ragione di ciò sta nella particolare natura degli studî meteorologici.

Come è noto, la m. rimane legata al suo significato tradizionale di studio del tempo, cioè delle manifestazioni atmosferiche che colpiscono i sensi e influenzano in qualche misura la vita dell'uomo e l'ambiente delle sue attività; come tale, s'interessa principalmente a ciò che accade nello strato prossimo al suolo fino a non oltre, per fissare una cifra, i trenta chilometri di altezza. Tale strato rappresenta, in massa, circa il 99% dell'intera atmosfera, cioè contiene praticamente (salvo alcune manifestazioni in cui l'energia è presa in considerazione per la sua alta qualità ma non per la quantità, in sé trascurabile) l'intero corpo atmosferico che occorre studiare. Sono appunto la forma e le dimensioni del corpo atmosferico la prima fonte di difficoltà: esso è uno strato sferico di esiguo spessore (dell'ordine di un cinquecentesimo del diametro, cioè del diametro della Terra), ma le cui dimensioni assolute sono peraltro molto grandi rispetto ai dettagli che noi vogliamo studiare. Ne segue che non basta stabilire alcune leggi d'insieme: all'interno di questo strato fluido in continua turbolenza occorre conoscere le vicende entro sezioni (grandi, ad es., quanto una città o un aeroporto) che rappresentano frazioni dell'ordine del centomilionesimo della totale superficie terrestre, quando invece l'aria che le sovrasta può aver percorso migliaia di chilometri nelle ultime ventiquattr'ore. Altre cause di complessità dei fenomeni atmosferici sono legate alla profondità con la quale ciò che è estraneo al corpo atmosferico penetra entro di esso, come le radiazioni solari, o ne perturba le condizioni e il movimento, come la superficie terrestre nella varietà delle sue caratteristiche geografiche generali, orografiche e locali, fino ai più minuti particolari (coltivazioni, complessi industriali, ecc.). Avviene così che le trasformazioni interne dell'atmosfera non solo ubbidiscono alle grandi leggi d'insieme, ma sono condizionate da un numero difficilmente precisabile di cause perturbatrici e di "condizioni al contorno", con effetti che possono essere dello stesso ordine di grandezza sia delle cause "fondamentali" sia delle "secondarie". Tutto ciò rende il più delle volte inadeguata la trattazione fisico-matematica, in quanto questa riesce a tener conto solo delle cause fondamentali o, al massimo, di un limitatissimo numero di cause secondarie. A ciò si deve infine aggiungere la grande varietà dei fenomeni che intervengono nella stessa manifestazione atmosferica: fenomeni dinamici e termodinamici dell'aria, passaggi di stato dell'acqua, fenomeni elettrici, radioelettrici, sonori, ecc. Si comprende quindi come avvenga che, malgrado i grandi progressi compiuti, trovino ancora un'insoddisfacente risposta alcuni degli interrogativi fondamentali che da tempo immemorabile si pongono ai cultori di m.: che tempo precisamente farà domani o anche solo entro le prossime due ore in questa determinata località, quali caratteristiche generali avrà la prossima estate, e così via.

Analisi e previsione del tempo. - L'analisi del tempo, compito del meteorologo sinottico, consiste: a) nel raccogliere, grazie ad una grandiosa e capillare organizzazione di telecomunicazioni (ormai realizzate per la maggior parte mediante telescriventi per filo o via radio), una imponente massa di informazioni meteorologiche raccolte ad ore fisse e a getto continuo in una rete di stazioni che ricopra un'area sufficientemente vasta; b) nel rappresentare adeguatamente su carte geografiche con metodi grafici e numerici i dati di osservazione e varie elaborazioni su di essi eseguite; c) nell'analizzare la situazione meteorologica così rappresentata a ore fisse, al fine di comprendere la dinamica interna, la distribuzione e la provenienza delle masse aeree, l'ubicazione e l'energia delle superfici di discontinuità e dei fronti, la posizione e lo stato di maturità delle famiglie cicloniche e delle ondulazioni della corrente a getto (v. aerologia, in questa App.), ecc.; d) nel prevedere con opportuni metodi l'evoluzione della situazione studiata e le sue manifestazioni future.

Sinteticamente, nell'operazione a), raccolta organizzata dei dati, si è avuto nell'ultimo decennio un perfezionamento notevole nell'estensione e nella celerità, pur mantenendosi sostanzialmente lo stesso schema dell'organizzazione precedente; nell'operazione b), rappresentazione grafica e numerica, non si è trovato finora nulla di meglio di quanto già fosse in uso; nell'operazione c), analisi della situazione attuale, si sono avuti dei miglioramenti, specie per quanto riguarda l'analisi dei dati in quota, in particolare la natura e la funzione della corrente a getto come regolatrice, o indicatrice, di quanto può avvenire nello strato troposferico; non si può tuttavia affermare che il meteorologo sinottico comprenda il tempo radicalmente meglio di quanto lo potesse comprendere uno o due decennî addietro. Quanto all'operazione di gran lunga più importante, la previsione del tempo, mentre i metodi affidati direttamente al cervello umano hanno ricalcato le vie tradizionali, con risultati della medesima non brillante levatura, si è negli ultimi anni decisamente imboccata la strada delle previsioni numeriche con l'uso delle calcolatrici elettroniche. Per mostrare la natura, e anche i limiti, dei metodi di previsione numerica, si può osservare che essi alla capacità di sintesi e di giudizio della mente umana sostituiscono un modello fisico-matematico schematico, quindi in sé povero per le ragioni sopra esposte, ma calcolato con velocità impossibile all'uomo e applicato progressivamente un gran numero di volte. Nei modelli più semplici le relazioni matematiche prese a base considerano la Terra sferica, piatta, senza attrito e l'aria come un fluido a densità costante; grandi sforzi sono attualmente in corso per immettere nelle equazioni parametri che tengano conto della distribuzione geografica, almeno schematica, degli oceani, dei continenti e delle grandi catene montuose, nonché che tengano conto dei fatti energetici più importanti (radiazioni; passaggi di stato dell'acqua). Per avere indicazione sullo stato futuro dell'atmosfera si applicano le equazioni a uno o più strati a quota differente e si integrano le equazioni per piccoli intervalli di tempo successivi; in tal modo si riesce a tener conto, nella valutazione di un parametro, dei nuovi valori assunti nel frattempo dagli altri parametri considerati. Naturalmente, questo procedimento a scatti, come accade in ogni integrazione numerica di equazioni differenziali, produce uno scostamento progressivo, al quale vanno aggiunti gli errori provocati dall'imperfetta conoscenza delle condizioni iniziali e dall'eliminazione, nello schema matematico, di molti fattori di perturbazione. Pur tuttavia il metodo delle previsioni numeriche, grazie alla diffusione e ai grandiosi perfezionamenti avutisi nel campo delle calcolatrici elettroniche, è senza dubbio destinato ad affermarsi sempre più e a raggiungere risultati sempre migliori. È prematuro dire se in futuro le previsioni meteorologiche potranno essere interamente affidate a grandi complessi automatici, anche perché non si sa al momento attuale quale potrà essere il contributo che alla soluzione del problema daranno le informazioni prese dall'alto, cioè dai satelliti artificiali meteorologici di recentissima introduzione. È prevedibile peraltro che i metodi numerici, a causa del loro non eliminabile carattere schematico, anziché sostituirsi all'elaborazione mentale e al giudizio del meteorologo, potranno servirgli come importante e forse decisivo mezzo d'indagine e di deduzione.

Fisica delle idrometeore. - Un campo della m. che ha mostrato una grande vitalità e ha raggiunto importanti risultati è la fisica delle idrometeore (chiamata comunemente fisica delle nubi), che studia, oltre alle nubi, i temporali e le varie forme di precipitazioni acquee, cioè, in breve, tutto ciò che è connesso alle forme condensate dell'acqua nell'atmosfera.

Alle frammentarie nozioni già acquisite si è andata sostituendo una visione organica e ormai piuttosto completa dell'intero ciclo di vita delle idrometeore, benché l'acqua, questo elemento sempre considerato un prototipo di semplicità, abbia mostrato viceversa una complessità di struttura, di forme e di comportamenti veramente sconcertante e ancora lungi dall'essere chiarita. I capitoli della fisica delle idrometeore, ai quali si può qui solo accennare, possono anzitutto essere divisi in due gruppi: il primo, la microfisica, considera le particelle di nube e tratta i processi fisici della loro formazione, aggregazione ed evaporazione, la loro struttura individuale e le loro proprietà fino al passaggio allo stato di precipitazione; il secondo, la macrofisica, è lo studio dei moti dell'aria che governano la formazione, la crescita, il decadimento e l'evaporazione della nube nel suo insieme, come anche le condizioni generali per la produzione delle precipitazioni e le caratteristiche individuali e collettive di queste.

Nel primo gruppo si considera innanzi tutto la condensazione del vapor acqueo. Tale condensazione, se l'aria fosse priva di ioni e di particelle in sospensione, sarebbe possibile solo in condizioni molto spinte di soprasaturazione e si verificherebbe solo per incontri casuali di molecole, di cui la statistica può calcolare la probabilità. La trattazione su base termodinamica di tale tipo di condensazione, che in passato era stata molto sviluppata, ha valore solo per fissare dei riferimenti limite, perché nell'aria si verificano sempre altri processi, molto più rapidi ed efficienti, che provocano la condensazione in goccioline appena si arrivi a stati molto prossimi alla saturazione. Questi processi consistono nella cattura del vapore da parte di nuclei di condensazione, costantemente presenti nell'atmosfera, atti a formare goccioline liquide. Molti studî sono stati dedicati alla fase successiva, cioè alla crescita delle goccioline per effetto della condensazione, della coalescenza per collisione dovuta alla microturbolenza dell'aria, e della carica elettrica (quest'ultima è risultata quasi inefficiente). Si è dimostrato che le goccioline crescono rapidamente fino a una dimensione di equilibrio (di alcuni micron) dipendente dalle condizioni ambiente, dando luogo alla nube (o alla nebbia); la popolazione di goccioline rimane poi stabile fino a che non intervenga qualche perturbazione esterna, e questo spiega perché le nubi possono vivere a lungo senza dar luogo a precipitazioni. Le precipitazioni viceversa si verificano quando qualche agente riesce ad introdurre nella popolazione di goccioline uno squilibrio di dimensioni oppure di rapporti con il vapore circostante: è appunto lo studio di tali processi che ha portato la fisica delle nubi ai brillanti successi degli ultimi anni. Già prima della guerra la teoria di Bergeron-Findeisen aveva fornito un primo meccanismo di formazione delle precipitazioni. Essa partiva dalla constatazione che normalmente le nubi, anche se "fredde", cioè a temperatura inferiore a 0 ^oC, sono costituite da goccioline liquide, soprafuse ma per sé stabili: però se in queste nubi s'introducono dei cristallini di ghiaccio, questi, anche senza inizialmente collidere con le goccioline, grazie alla più bassa pressione di saturazione ingrossano sempre più, finché cadono come fiocchi di neve e finiscono per raccogliere e far gelare un numero crescente di goccioline.

Successivamente si è riconosciuto che più dei cristallini di ghiaccio sono effettivamente operanti in natura dei nuclei diversi da quelli sopramenzionati: nuclei di ghiacciamento, atti a far gelare la gocciolina soprafusa che incontrano (la gocciolina può poi ingrossare con il meccanismo Bergeron-Findeisen); nuclei di sublimazione, capaci di raccogliere intorno a sé le molecole di vapore direttamente in forma solida e costituire così gli invocati cristallini di ghiaccio (che agirebbero con lo stesso meccanismo); nuclei giganti di condensazione, che agiscono sulle nubi "calde" (aventi cioè in ogni loro parte una temperatura superiore a 0 ^oC) e provocano la formazione attorno a sé di goccioline più grandi di quelle circostanti. Tutto ciò ha indotto gli studiosi ad esaminare accuratamente, con l'ausilio di brillanti tecniche di cattura e di analisi, tutte le particelle presenti nell'atmosfera. Si è anche pensato di produrre nuclei dei varî tipi e d'introdurli artificialmente nella nube, al fine d'indurla ai processi di formazione delle precipitazioni: si è arrivati così alle suggestive esperienze di pioggia provocata, coronate almeno in parte da successo.

Dopo un grande fervore di esperimenti in laboratorio e in natura, talora magnificati più del dovuto per ragioni commerciali, si ritiene ora generalmente che i più convenienti nuclei di congelamento siano ottenuti con il "ghiaccio secco" (CO₂ solida) disseminato nella nube (ad es. mediante un aeroplano); che i più efficaci nuclei di sublimazione (notando peraltro che molti dubbî esistono sul reale meccanismo d'azione, assai complicato) siano dati dallo ioduro d'argento (ad es. evaporato mediante bruciatori a terra e portato in seno alla nube dalle correnti ascendenti naturali); che i più efficienti nuclei giganti, particolarmente adatti per i cumuli imponenti nelle regioni e nelle stagioni calde, siano forniti da cloruro di sodio polverizzato (ad es. inviato e sparso nella nube da appositi razzi di piccole dimensioni).

Altro capitolo della fisica delle idrometeore, che ha registrato notevoli sviluppi, è quello dei temporali e della grandine. Dei temporali gli aspetti più studiati sono stati la struttura e i moti interni nelle varie fasi della crescita, della maturità e del decadimento, e gli aspetti elettrici. Si è arrivati così a un modello di nube temporalesca, ormai assai soddisfacente, i cui tratti caratteristici sono: struttura costituita da "termiche" isolate, cioè da colonne di aria ascendente a grande velocità che si esauriscono dopo pochi minuti ma che sono seguite da altre termiche sempre più elevate, fino a raggiungere altezze talora di 14 e più km; correnti discendenti che sembrano avere anche un ruolo direzionale del temporale e importanza per la circolazione dei chicchi di grandine; energia fornita in massima parte dal calore latente liberato dall'imponente ghiacciamento delle goccioline inizialmente soprafuse; produzione di grandine sempre presente nel temporale, anche quando poi arrivi al suolo soltanto come rovescio di pioggia; separazione di cariche elettriche tale da costituire una zona superiore positiva, una zona centrale negativa e una zona, presso la base inferiore della nube, ancora positiva benché meno intensa.

Gli studî sulla grandine e sulle possibilità di difesa delle colture agricole da tale flagello, che soltanto in Italia provoca annualmente molte decine di miliardi di lire di danni, sono stati ripresi con grande vigore, soprattutto per due ragioni: da una parte gli studî e gli esperimenti sulle sostanze nucleanti e sulla pioggia provocata, già ricordati, hanno aperto prospettive di applicazione degli stessi metodi anche per la prevenzione della grandine; d'altra parte presso gli agricoltori si è molto diffuso un metodo empirico di difesa basato sull'invio di un notevole numero di razzi, che portano a scoppiare nella nube delle forti cariche di esplosivo al momento stesso in cui la grandine inizia a cadere o, possibilmente, immediatamente prima. Dopo un decennio di esperimenti si deve concludere che il metodo preventivo delle sostanze nucleanti, applicato da organizzazioni scientifiche, non ha dato apprezzabili risultati; ciò del resto è in accordo con lo schema attualmente considerato per le nubi temporalesche, schema nel quale i processi di nucleazione non hanno un posto preminente. D'altra parte è stato recentemente trovato che le esplosioni possono provocare effetti di tipo sonoro (cavitazione) su strutture di ghiaccio contenenti bolle liquide, come sono i chicchi di grandine nella nube; ciò può rendere conto delle affermazioni degli agricoltori, secondo i quali dopo lo sparo dei razzi si osserva la momentanea interruzione della grandinata oppure la caduta di grandine "sfatta".

Altra recente filiazione della fisica delle idrometeore è la radarmeteorologia, che già ha mostrato la sua grande fecondità sul piano della ricerca scientifica e sul piano applicativo per lo studio e la segnalazione delle zone di precipitazione e dei temporali. Base della radarmeteorologia è il fatto che per i radar di conveniente lunghezza d'onda (3 ÷ 5 cm) le nubi stratificate, costituite da goccioline grandi al massimo poche decine di μ, sono perfettamente trasparenti, mentre le nubi a sviluppo verticale in fase di maturazione danno echi la cui intensità dipende dal numero e soprattutto dal diametro delle gocce presenti. Sullo schermo radar si possono in tal modo individuare e seguire nel tempo quelle caratteristiche interne di movimento e di evoluzione delle nubi da pioggia e dei temporali, che altrimenti sfuggirebbero alle possibilità di osservazione dello studioso e del tecnico addetto ai servizî di assistenza alla navigazione aerea o alle segnalazioni per l'agricoltura.

Collegata infine con le formazioni nuvolose di tipo temporalesco è la radiometeorologia, che si basa sullo studio dei radiodisturbi cosiddetti "atmosferici". Appositi radio ricevitori opportunamente ubicati, dotati di apparecchi per la registrazione automatica delle direzioni di provenienza delle scariche, permettono d'individuare centri di perturbazione situati anche a migliaia di chilometri di distanza.

Micrometeorologia. - Un settore particolare, prima trascurato ma attualmente reso molto importante dall'avvento dell'era atomica, è lo studio del comportamento degli strati atmosferici più vicini al suolo. La diffusione e lo smaltimento dei fumi industriali, nonché la possibile dispersione nell'atmosfera, a causa di disservizî o incidenti, di materiale radioattivo proveniente da centrali nucleari hanno reso infatti pressante lo studio della microturbolenza e dello scambio fra strati compresi nelle aree di lavoro e strati superiori. Si tratta di uno studio molto complesso dal punto di vista teorico e anche da quello sperimentale, perché per esso è necessaria fra l'altro una strumentazione che è ancora da costruire; ma d'altra parte va osservato che i risultati di questo studio presenteranno grande interesse anche per altri campi dell'attività umana, quali l'agricoltura e l'urbanistica.