Ti trovi qui:Scienza e Tecnologia»Articoli»Events»Interviste»A scuola di meteorologia: intervista all'esperto del Cnr Silvio Davolio


A scuola di meteorologia: intervista all'esperto del Cnr Silvio Davolio

Il tempo atmosferico è uno degli argomenti più utilizzati quotidianamente da ognuno di noi. In ufficio tra colleghi, sull’autobus per andare a lavoro, tra amici. A chi non è capitato di commentare l’ultima notizia meteo? In un Paese in cui si fa poca comunicazione scientifica, la meteorologia è il settore che meglio si presta ad errate interpretazioni e valutazioni, soprattutto quelle dei falsi profeti affabulatori di imminenti sciagure per l’umanità. Ecco perché noi di TechnologiacalMinds sentiamo la necessità di fare luce su questa scienza e spiegare ai nostri lettori alcuni aspetti di base della meteo. Come si forma un anticiclone e cosa è? Che cosa si intende per corrente a getto e vortice polare? Un ciclone delle nostre latitudini che caratteristiche ha, che lo rendono differente da quelli dei Caraibi, ben più famosi?
Per dare al lettore la possibilità di formarsi un piccolo glossario di uso comune e saper d’ora in avanti commentare con uno spirito più consapevole “che tempo fa” abbiamo intervistato Silvio Davolio, ricercatore presso l’Istituto di scienze dell’atmosfera e del clima del CNR di Bologna.

Dottor Davolio, tutti sentiamo parlare di alta pressione e bassa pressione, ma come si formano e cosa sono?

Generalmente con i termini “alta pressione” e “bassa pressione” ci si riferisce a figure bariche a grande scala note anche come cicloni (o depressioni) e anticicloni.
I cicloni sono dei centri di bassa pressione attorno ai quali l’aria ruota in senso antiorario (nell’emisfero nord), spiraleggiando verso il centro. Sono caratterizzati da moti ascendenti che favoriscono la condensazione e la formazione di nubi e pioggia. 
Gli anticicloni, invece, sono centri di alta pressione attorno ai quali la circolazione ruota in senso orario. Nell’anticiclone i moti verticali discendenti inibiscono la formazione delle nubi. Sono quindi associati al bel tempo.
I cicloni e gli anticicloni sono fenomeni ondulatori, sono l’effetto di onde a larga scala che si propagano nell’atmosfera.

Per capire come si formano i cosiddetti cicloni extra-tropicali, bisogna prima comprendere come funziona la circolazione atmosferica alle medie latitudini. Nella fascia compresa tra i 30°-60°N si ha mediamente un flusso di venti occidentali, di intensità crescente con la quota fino alla tropopausa (circa 10-12 km dal suolo) ed è presente un forte contrasto termico tra i tropici e le zone polari. Un fluido stratificato quale l’atmosfera, soggetto a rotazione (rotazione terrestre) e in presenza di gradiente termico meridionale (equatore-poli) risulta essere sottoposto ad instabilità baroclina. A causa di questa instabilità, eventuali disturbi del flusso zonale possono portare allo sviluppo di ampie oscillazioni in direzione nord-sud in seno alle correnti zonali delle medie latitudini.

Da piccole perturbazioni (ad esempio prodotte dalla presenza di estese catene montuose che interagiscono con le correnti occidentali) si sviluppano delle vere e proprie onde costituite da saccature (pressione bassa) e promontori (pressione alta) che amplificandosi possono dare origine a vortici, i cicloni e gli anticicloni appunto. I vortici e in generale le ondulazioni generano moti avvettivi a larga scala che hanno la funzione di redistribuire il calore, portando aria calda verso i poli e aria fredda verso l’equatore.

Circolazione atmosferica 
 
La teoria dell’instabilità baroclina, proposta da J. G. Charney e E. T. Eady negli anni ’40, suggerisce che onde di circa 4000 km di lunghezza d’onda siano quelle più instabili, ovvero che presentino l’intensificazione più rapida. Tali disturbi (onde) che si amplificano altro non sono che i cicloni extra-tropicali e gli anticicloni che vediamo muoversi dall’Atlantico verso l’Europa nelle comuni mappe meteorologiche. Il ciclone viene ad avere una struttura verticale inclinata, poiché il minimo di pressione in quota non è allineato con il minimo di pressione al suolo, ma resta spostato verso ovest. L’aria calda a est del ciclone si muove verso il polo e verso l’alto, mentre l’aria fredda a ovest del ciclone si sposta verso l’equatore e verso il basso. Data la scala spaziale orizzontale (mediamente un ciclone extra-tropicale ha dimensioni comprese tra 1000 e 2000 km) molto maggiore di quella verticale (la troposfera, quindi 10 km) i moti associati alle onde barocline sono sostanzialmente moti quasi orizzontali. Nonostante ciò, i moti verticali ascendenti associati ai cicloni, pur caratterizzati da velocità verticali molto inferiori a quelle dei moti orizzontali, sono responsabili della formazione di nubi e precipitazioni, ovvero del “tempo meteorologico”.

I cicloni extratropicali (e gli anticicloni) sono quindi frutto della turbolenza a grande scala nella circolazione alle medie latitudini, turbolenza che si manifesta su scale temporali di alcuni giorni e scale spaziali di alcune migliaia di chilometri, manifestazione dell’instabilità baroclina.

Bisogna qui aggiungere una nota rispetto alla specificità del Mediterraneo. Per quanto siano sempre legati a processi di instabilità baroclina, i cicloni che si sviluppano nel bacino del Mediterraneo si generano sovente a seguito dell’interazione dell’onda principale (saccatura), associata ad un ciclone extratropicale sul nord Europa (ciclone “padre”), con la catena Alpina. Si origina così un ciclone sottovento alle Alpi, ad esempio sul Golfo di Genova (per citare uno dei luoghi più interessati da ciclogenesi) che ha almeno inizialmente dimensioni più piccole rispetto a quelle tipiche di un ciclone extra-tropicale e la cui successiva crescita è legata anche a effetti diabatici, quali lo scambio di calore e umidità con il mare o il rilascio di calore latente in atmosfera.

Parlando di cicloni, quali sono i meccanismi che portano alla nascita di quelli tropicali e di quelli extra-tropicali? Perché sono differenti?

Come spiegato prima, i cicloni extra-tropicali sono la manifestazione dell’instabilità baroclina. L’energia è generata dal gradiente termico meridionale che si concentra lungo il fronte polare alle medie latitudini. L’energia potenziale del sistema costituito da due masse d’aria che si fronteggiano viene liberata e trasformata in energia cinetica. Per fare un’analogia intuitiva si può pensare a un recipiente con una divisoria centrale verticale, la quale separa un fluido caldo da una parte da un fluido freddo dall’altra. Se tolgo la divisoria, il fluido freddo fluirà al di sotto di quello caldo per arrivare ad una condizione di stabilità in cui il centro di massa del sistema si è abbassato. L’energia potenziale disponibile nella condizione iniziale viene trasformata in energia cinetica del sistema.
I cicloni tropicali sono dei sistemi di bassa pressione che si originano nelle aree oceaniche tropicali e che hanno invece un meccanismo di formazione totalmente differente, nonché un aspetto ed una dinamica diversi. Sono cicloni non-frontali e che presentano convezione organizzata e venti molto intensi. Si formano a una distanza di almeno 5° a nord o a sud dell’equatore, dove la forza di Coriolis (legata alla rotazione terrestre) pur essendo piccola è sufficiente per iniziare un moto rotatorio. Traggono origine da disturbi ondulatori in seno alle correnti orientali (alisei) che scorrono tra l’equatore e i tropici. In particolari condizioni, quali la presenza di una superficie oceanica sufficientemente calda (oltre i 26.5°C), convergenza al suolo e innesco di convezione, questi disturbi tropicali si possono amplificare divenendo progressivamente depressione tropicale, tempesta tropicale e poi ciclone tropicale (detto anche uragano o tifone) quando l’intensità dei venti supera i 120 km/h. Questi sistemi ciclonici traggono energia dal mare caldo attraverso un’abbondante evaporazione e funzionano come veri e propri motori termici. Il vapore evaporato dal mare si solleva e condensa in atmosfera, liberando l’energia associata al calore latente che alimenta ulteriormente i moti convettivi e origina imponenti cumulonembi. Il rilascio di calore latente aumenta la temperatura dell’aria, causando un ulteriore calo di pressione. Come si capisce, questo processo ha un feedback positivo: maggiore l’evaporazione dal mare, maggiori sono in atmosfera il rilascio di calore latente e l’intensità dei processi convettivi, maggior calo della pressione al centro del ciclone che porta ad un’intensificazione dei venti e della circolazione ciclonica; venti più intensi favoriscono a loro volta i flussi di calore sensibile e latente (evaporazione) dal mare.
A differenza dei cicloni extra-tropicali, gli uragani hanno cuore caldo, dimensioni più piccole (mediamente attorno ai 500 km), massima intensità dei venti nei bassi strati e vicino all’occhio (centro della depressione) e sono eventi distruttivi, data l’eccezionale intensità dei venti e delle precipitazioni a essi associate.

In relazione agli anticicloni, quali differenze ci sono tra quelli caldi e quelli freddi, tra quelli termici e quelli dinamici?

Possiamo distinguere tra anticicloni dinamici e termici. I primi traggono origine dalla dinamica dell’atmosfera, si estendono per tutto lo spessore della troposfera e sono caldi. Sono caratterizzati da discesa di aria (a larga scala) al loro interno, divergenza al suolo e circolazione oraria (emisfero nord) nei bassi strati, attorno al centro di alta pressione. E’ proprio la subsidenza dell’aria caratteristica dell’anticiclone a favorire le condizioni di tempo stabile, poiché, inibendo i moti di verso l’alto e producendo un riscaldamento per compressione adiabatica, di fatto ostacola la formazione delle nubi. Oltre agli anticicloni mobili che si formano per effetto delle oscillazioni ondulatorie caratteristiche della circolazione delle medie latitudini, esistono anticicloni permanenti che si generano in particolari aree del globo, attorno ai 30° di latitudine, per effetto della circolazione generale dell’atmosfera associata alla Cella di Hadley (aria che si solleva in corrispondenza dell’equatore e scende nella fascia sub-tropicale). E’ il caso dell’anticiclone delle Azzorre per esempio che nella sua temporanea espansione può arrivare anche a interessare il Mediterraneo. 

Nella stagione estiva, anche l’espansione dell’Anticiclone subtropicale posizionato sul nord Africa, può temporaneamente espandersi, producendo promontori di pressione che si allungano verso nord sull’Europa. A questo anticiclone è associata una massa d’aria decisamente più calda rispetto a quella caratteristica dell’anticiclone delle Azzorre. Di conseguenza i suoi effetti in termini di ondate di calore sono decisamente più marcati. Mi preme precisare che per definizione si parla di anticiclone quando si ha una distinta circolazione chiusa attorno ad un centro di alta pressione. Molto spesso sul Mediterraneo in estate assistiamo a promontori di pressione e non a veri anticicloni, associati alle ondate di calore, in quanto non si instaura una definita circolazione chiusa in senso orario.

Gli anticicloni termici, tipici in inverno delle aree continentali fredde (ad esempio Siberia o zone polari) sono invece confinati nella bassa troposfera e si generano a causa del forte raffreddamento radiativo dell’aria nei bassi strati dovuto al contatto con un suolo molto freddo. L’aria fredda che sprofonda verso il suolo produce un aumento di pressione e quindi un centro di alta pressione. Siccome la pressione cala più rapidamente con la quota in presenza di aria fredda, ad una quota di circa 3-4000 metri, l’anticiclone termico viene sostituito da una depressione. E’ quindi visibile solo nelle carte meteorologiche al suolo o relative a livelli isobarici prossimi alla superficie.

Infine, anche i cicloni possono essere freddi o caldi. Generalmente sono a cuore freddo e quindi si intensificano con la quota poiché in presenza di aria fredda il calo della pressione salendo in atmosfera è più rapido. Sulle aree continentali, in estate specialmente, il forte riscaldamento del suolo può produrre cicloni termici, a cuore caldo, i quali però hanno una limitata estensione verticale. L’aria calda che si solleva genera un calo di pressione al suolo e attiva una circolazione ciclonica. Ma la presenza del cuore caldo fa sì che il ciclone sia limitato ai bassi strati della troposfera. Questi fenomeni si presentano frequentemente sulla Penisola Iberica nei mesi estivi.

La corrente a getto ha lo scopo di separare depressioni e anticicloni, è vero? Come funziona e che ruolo ha?

La corrente a getto o jet stream  è un “fiume di aria” che scorre molto veloce in seno alle correnti occidentali attorno all’intero globo. Si forma in prossimità della tropopausa (circa  10-12000 metri), quota alla quale risulta massima la differenza di pressione conseguente alla presenza di aria fredda verso i poli e aria calda verso i tropici. Il jet stream segue le ondulazioni delle correnti zonali alle medie latitudini, scorrendo di fatto in corrispondenza del fronte polare, dove si concentra il gradiente termico dovuto al fronteggiarsi della massa d’aria di origine polare e dell’aria calda tropicale. Si posiziona mediamente attorno ai 50° di latitudine (posizione media che oscilla stagionalmente), ha una larghezza di qualche centinaio di chilometri e il vento può raggiungere velocità superiori ai 200 km/h in zone circoscritte che si chiamano jet stream.
Quindi se da un lato è vero che il jet stream separa cicloni e anticicloni, poiché di fatto scorre seguendo i promontori e le saccature delle oscillazioni delle correnti alle medie latitudini, non si può affermare che questo sia il suo scopo. Piuttosto, dal punto di vista dinamico, alcune aree in corrispondenza del jet stream possono favorire la ciclogenesi, in quanto caratterizzate da divergenza in quota, con conseguente richiamo di aria dal basso attraverso moti verticali ascendenti, che a loro volta inducono convergenza e calo di pressione al suolo, quindi ciclogenesi.
Oltre al jet stream polare appena descritto, esiste anche la corrente a getto sub-tropicale, attorno ai 30° di latitudine, in corrispondenza della discontinuità termica detta fronte sub-tropicale.

Qual è la differenza tra una perturbazione e una depressione?

Generalmente con perturbazione in meteorologia si intende un sistema frontale, al quale sono associate un’estesa ed organizzata copertura nuvolosa e fenomeni precipitativi. Una depressione è invece un’area di bassa pressione (ciclone) che normalmente guida i moto della perturbazione stessa.
Seguiamo lo sviluppo di un ciclone attraverso il tipico modello concettuale: il ciclone che viene a svilupparsi in corrispondenza del fronte polare, inizia a far ruotare le masse d’aria. In particolare, farà muovere dinnanzi a sé e verso nord l’aria calda, mentre alle sue spalle l’aria fredda polare scenderà verso latitudini più basse. Le zone a marcato contrasto termico sono detti fronti. I fronti sono detti caldi o freddi a seconda della massa d’aria che si sposta. Avremo quindi un fronte caldo nella parte anteriore del ciclone e un fronte freddo alle sue spalle, i quali ruotano in senso antiorario attorno al centro della depressione al quale sono vincolati. Il fronte freddo è più veloce e tenderà a raggiungere quello caldo formando il fronte occluso, a cui segue la fase di dissipazione del ciclone.

ciclone
ciclone
 
Ai due fronti, quindi alle due perturbazioni associate al ciclone, corrispondono fenomeni meteorologici differenti. L’aria calda associata al fronte caldo (indicato sulle carte meteorologiche da semicerchi lungo la linea frontale) si solleva in modo graduale lungo la superficie frontale, dando origine a nubi stratificate (nell’ordine cirri, altostrati e nembostrati) e precipitazioni continue che seguono l’arrivo delle prime nubi di diverse ore. Al contrario, al fronte freddo (indicato sulle mappe da dei triangoli sulla linea frontale) sono associate rapide variazioni meteorologiche e fenomeni più intensi: il sollevamento dell’aria lungo la superficie frontale è brusco e dà origine a nubi a sviluppo verticale (cumulonembi) che seguono a breve l’arrivo di nubi alte. Si hanno precipitazioni a carattere di rovescio con temporali anche intensi. Al passaggio del fronte si assiste anche a un netto calo termico.

A cosa è dovuto il formarsi delle gocce fredde o cut off?

Quando cresce l’ampiezza delle oscillazioni ondulatorie negli strati alti della troposfera, che caratterizzano i moti a larga scala delle medie latitudini, all’estremità della saccatura può separarsi ed isolarsi una circolazione ciclonica. Con il cut-off, il ciclone viene tagliato fuori dal flusso occidentale principale, posizionandosi verso l’equatore rispetto al jet stream (normalmente il ciclone si trova nel lato verso il polo rispetto alla corrente a getto). Si viene quindi a isolare una zona di aria fredda in quota, a circolazione ciclonica, che si può muovere indipendentemente dalle correnti occidentali dalle quali si è completamente staccato. Da cui il nome di “goccia fredda” in quota.
A differenza del “classico” ciclone extra-tropicale maturo, il cut-off low ha dimensioni più piccole (inferiori a 1000 km) e pur nascendo da un’onda baroclina instabile, se ne separa una volta che si stacca dal flusso principale. Lo sviluppo del ciclone extra-tropicale, al contrario, è legato al jet stream e all’instabilità baroclina. Il vortice freddo solitamente sopravvive per alcuni giorni prima di dissiparsi o di essere riassorbito dal flusso zonale, e spesso presenta moto retrogrado (da est verso ovest). La previsione della traiettoria è piuttosto difficoltosa poiché il ciclone non è più guidato dal jet-stream, e ciò è particolarmente rilevante visti i fenomeni meteorologici intensi che talvolta sono associati. In linea generale, l’atmosfera al di sotto del cut-off low è instabile e quindi favorisce moti convettivi anche intensi. Nonostante ciò, precipitazioni significative e temporali anche violenti si verificano solo se è presente sufficiente umidità nei bassi strati, condizione spesso raggiunta nei mesi estivi. D’altro canto in inverno, venendo a mancare il contrasto termico con la bassa troposfera, la convezione e le nubi cumuliformi sono meno sviluppate, con precipitazioni di minor intensità. Talvolta però, in particolari condizioni, si possono avere improvvise bufere di neve e repentini cambiamenti del tempo.

Cosa è il vortice polare?

Il vortice polare è un sistema ciclonico a grande scala, semi-permanente, centrato sulle zone polari in entrambi gli emisferi. Il vortice polare interessa la media e alta troposfera e si estende anche in stratosfera ed è un sistema ciclonico che racchiude aria fredda. Il Vortice polare guida le correnti occidentali in corrispondenza del fronte polare a latitudini medie e sub-polari. La sua intensità è determinata dal contrasto termico tra equatore e poli, quindi si intensifica in inverno (e le correnti occidentali aumentano di intensità) e si indebolisce d’estate. Sul polo sud il vortice è generalmente più simmetrico rispetto al polo, poiché meno disturbato dalle terre emerse o da catene montuose. Al contrario il vortice polare nell’emisfero boreale ha spesso delle protuberanze e presenta due centri, uno sul Canada (Isola di Baffin) e uno sulla Siberia nord-orientale.
Il vortice polare può avere un impatto anche sull’evoluzione meteorologica alle medie latitudini. Infatti, il vortice polare è soggetto a deformazioni (ondulazioni) e si possono manifestare delle vere e proprie rotture della circolazione occidentale attorno al vortice che generano la discesa verso latitudini inferiori di masse di aria fredda. L’impatto di queste discese può essere davvero notevole, come successe lo scorso anno (2014) negli Stati Uniti, in quanto accompagnato da temperature eccezionalmente basse e intense nevicate. Va precisato comunque che non tutti gli eventi freddi sono determinati dalla “discesa” del vortice polare.

Ed in fine, come mai i mari freddi e quelli caldi sono in grado di costruire depressioni? Che meccanismi ci sono?

Seppur il mare influisca in generale nei processi atmosferici sia a scala meteorologica che climatica, per quanto riguarda i cicloni extra-tropicali non rappresenta un fattore indispensabile. I cicloni extra-tropicali, infatti, sono frutto dell’instabilità baroclina. Il mare è senza dubbio in grado di influenzare significativamente lo sviluppo dei cicloni, essendo una sorgente di vapore acqueo e calore. Al contrario, nel caso degli uragani, la presenza di un mare caldo è un requisito assolutamente necessario per il loro sviluppo.
Approfitto per aggiungere una citazione ai polar low, cicloni a piccola scala (500 km in media) che si originano alle alte latitudini, sopra all’oceano, a nord del fronte polare. Questi vortici visti da satellite assumono talvolta caratteristiche simili ai cicloni tropicali, compresa la presenza di un occhio al centro. I flussi alla superficie sono fondamentali per lo sviluppo di questi sistemi che si originano quando aria gelida che scorre sopra alla calotta polare si muove su una superficie oceanica che pur essendo fredda, risulta ben più calda dell’aria sovrastaante. In questo caso, così come per i cicloni tropicali, il mare gioca un ruolo essenziale per iniziare la convezione e l’approfondimento del ciclone.