L'atmosfera è una gigantesca macchina termica che ha la funzione di rimuovere dalla fascia equatoriale il calore solare in surplus, per poi trasferirlo verso le calotte polari onde ripianare il sistematico deficit energetico di tali regioni. Il motore di questa macchina è ovviamente il Sole, senza i cui raggi i moti atmosferici verrebbero a cessare in appena 50-60 giorni.
La macchina termica è a sua volta strettamente collegata ai venti occidentali delle medie latitudini, detti westerly.
Se le correnti occidentali non deviassero mai dal loro percorso lungo i paralleli, non si potrebbe mai attuare lo scambio di calore tra l'aria calda equatoriale e l'aria fredda polare, cosicché la temperatura salirebbe progressivamente sulla fascia equatoriale e diminuirebbe sulle calotte polari.
L'incremento progressivo del contrasto termico Equatore-poli porterebbe a sua volta a una graduale intensificazione delle correnti occidentali fino a raggiungere 300 km/h dopo circa 3 mesi.
In realtà via via che aumenta il contrasto termico tra alte e basse latitudini, le correnti occidentali divengono sempre più veloci, fino al punto che, a causa delle forzate e improvvise deviazioni di percorso introdotte dalle catene montuose e dall'alternarsi di oceani e continenti, iniziano a oscillare lungo i meridiani, così come capita a una corda di violino quando viene pizzicata.
Le ondulazioni (onde di Rossby), una volta innescatesi, tendono a divenire via via più ampie, fino a raggiungere alternativamente le zone equatoriali e polari. A questo punto le singole onde, divenute ormai molto allungate nel verso dei meridiani, tendono a rompersi nella parte terminale (cut-off), isolando vortici a circolazione oraria, pieni di aria calda (anticicloni di blocco) alle alte latitudini, e vortici pieni di aria fredda (gocce fredde) a circolazione antioraria alle basse latitudini. Con questo processo si realizza un riscaldamento delle zone polari e un raffreddamento di quelle equatoriali. Lungo il tratto ascendente delle ondulazioni tendono a formarsi onde più corte (onde di Bjerknes) dalla cui evoluzione prendono poi origine i fronti, tipici sistemi responsabili a loro volta del maltempo che investe contemporaneamente vaste aree delle medie latitudini.
Ma perché si formano tali ulteriori piccole ondulazioni? Per svelare il segreto occorre fare la conoscenza con un'altra grande protagonista della circolazione generale dell'atmosfera: la corrente a getto.
La Corrente a getto
In seno all'immenso oceano d'aria che avvolge la terra vagano senza sosta veloci correnti note con il nome di Corrente a Getto o Jet Stream.
La più vigorosa e persistente è la Corrente a Getto Polare, un vasto fiume aereo che scorre nell'alta atmosfera, in seno alle correnti occidentali. La sua carta d'identità è ricca di connotati spettacolari: spessore verticale 3,5 km, velocità 150-250 km/h, larghezza 150-500 km, lunghezza 3000-8000 km.
Il vento raggiunge la massima intensità nella parte centrale della corrente (asse o core del getto), la quale è in genere situata intorno a 10.000 metri, in prossimità della tropopausa.
Ma qual è la forza misteriosa capace di scatenare nell'alta atmosfera venti così violenti? Siccome le masse d'aria si muovono tanto più velocemente quanto più rapida è la variazione della pressione nel piano orizzontale, vi è allora da supporre che alla quota del getto esistano dislivelli barici orizzontali di notevole intensità. In effetti il polar jet stream scorre sulla verticale del fronte polare, l'immaginaria linea al suolo intorno a 50-60 gradi di latitudine, lungo la quale scorrono, una a fianco dell'altra, le masse d'aria fredde polari e quelle calde subtropicali.
Dalla parte dell'aria fredda, a causa della maggiore densità atmosferica, la pressione diminuisce con la quota molto più rapidamente che nell'adiacente aria calda cosicché, tra le opposte parti del fronte polare, si genera una differenza di pressione rapidamente crescente con l'altezza, e il cui massimo valore viene raggiunto ai limiti della troposfera.
Lungo il fronte polare, complici le deviazioni forzate indotte sulle correnti occidentali dalle grandi barriere montuose, avvengono reciproci sconfinamenti delle masse d'aria polari e subtropicali, con vigorose irruzioni di aria fredda verso sud e simultanee invasioni di aria calda verso nord. La linea di demarcazione tra tali masse d'aria risulta disposta a zigzag lungo i paralleli, e di conseguenza anche la corrente a getto, costretta a seguire il fronte polare, acquista ampie oscillazioni meridiane aventi lunghezze d'onda dell'ordine di 4000-10.000 km: sono le onde di Rossby.
La scoperta della corrente a getto ha rivoluzionato nell'ultimo cinquantennio le conoscenze relative all'origine di quei sistemi atmosferici in grado di influenzare l'evoluzione del tempo su aree di vaste dimensioni (sistemi a scala sinottica).
La causa diretta dello sviluppo delle depressioni mobili (o cicloni extratropicali), quelle, per intenderci, che apportano maltempo a scala sinottica alle medie latitudini, è stata individuata nella parziale fuoriuscita orizzontale d'aria in corrispondenza dei rami sudoccidentali nelle ondulazioni del getto polare.
I fronti
Si è già visto quale sia l'origine delle onde di Rossby e di quelle di Bjerknes. In corrispondenza alle creste di queste onde si genera un tipico centro di bassa pressione (ciclone extratropicale o depressione mobile), il quale si propaga dal suolo fino all'alta atmosfera, e che è il vero motore che costringe l'aria fredda a muoversi verso le aree prima occupate da aria calda e viceversa.
In particolare, sul lato destro della cresta, delimitato al suolo da quello che si chiama fronte caldo, l'aria calda è costretta addirittura a salire su quella fredda, dando luogo a nubi stratificate e a piogge estese e continue; sul lato sinistro l'aria fredda, delimitata al suolo da quello che si chiama fronte freddo, incalza l'aria calda e la solleva, dando luogo a nubi cumuliformi, rovesci e temporali.
L'aria calda racchiusa al suolo tra il fronte freddo e il fronte caldo prende il nome di settore caldo.
Fronte freddo, fronte caldo, settore caldo e depressione mobile costituiscono il sistema frontale.
Il fronte freddo, essendo più veloce, si avvicina progressivamente al fronte caldo, fino al loro congiungimento (fronte occluso) con conseguente scomparsa del settore caldo al suolo.
È nella fase di occlusione che il sistema frontale dà il meglio o - se vogliamo - il peggio di sé: il ciclone raggiunge la massima intensità, la pressione al livello del mare tocca i valori minimi, i venti soffiano più forti che mai, i fenomeni di condensazione assumono il ritmo più intenso.
Tutta l'energia disponibile a causa della vicinanza dell'aria calda e fredda in posizione affiancata, anziché sovrapposta, insieme a quella rilasciata dalla condensazione del vapore acqueo durante il sollevamento frontale, si trasforma in energia di moto, la quale si va ad aggiungere a quella già inizialmente posseduta dalle due correnti fredda e calda. Dalla fase di occlusione in poi il ciclone non fa altro che dissipare per attrito l'energia cinetica acquistata, e così lentamente si estingue, a meno che nel suo vortice, come spesso capita, non si insinuino nuovi nuclei d'aria fredda, che consentano al sistema di riacquistare energia. È comunque nella fase di occlusione che il ciclone extratropicale, ormai diventato un vortice pieno di aria fredda a tutte le quote (goccia fredda), rallenta il suo spostamento orizzontale, così come spesso nelle anse dei fiumi si isolano mulinelli di acqua che per tale motivo non partecipano più alla corrente principale portante del fiume. Insomma la goccia fredda tende a insistere sulla stessa area per molto tempo (anche 4-5 giorni), cosicché le piogge, a carattere di rovescio, insistono sulla stessa regione per molti giorni. Gran parte dei nubifragi e delle alluvioni d'inizio autunno sulla nostra penisola sono causati da tali strutture.
I cicloni extratropicali
Dall'esame delle carte meteorologiche, o dalle immagini dei satelliti meteorologici a scala sinottica, balza subito all'occhio come ogni ciclone mobile faccia quasi sempre parte di una famiglia di 4-5 cicloni, ovvero tanti quanti sono le onde cicloniche che in media si generano lungo il ramo ascendente delle onde lunghe.
E mentre il primo ciclone (quello più a est) è ormai in fase di avanzata occlusione, quelli successivi presentano un'età via via minore, con un settore caldo man mano più ampio. Inoltre ciascun ciclone occupa in genere una posizione più meridionale di quello precedente, e il fronte freddo del primo è unito al fronte caldo del secondo e così via.
Il ciclo di vita di ogni ciclone è in media di 3-5 giorni.
I sistemi frontali che raggiungono l'Italia provengono nella misura del 70% circa dall'Atlantico, mentre nel restante 30% nascono in loco sul nostro bacino (depressioni mediterranee), in prevalenza nel semestre freddo e soprattutto in prossimità delle Baleari o sul Nord Africa. Su queste aree in effetti si generano frequentemente forti contrasti termici tra l'aria più calda preesistente in loco e l'aria fredda atlantica sospinta a basse latitudini nel cavo di un'onda lunga. Abbastanza frequenti, sempre in autunno e inverno, sono le depressioni che si formano sul Golfo Ligure, allorché veloci e fredde correnti nordoccidentali di origine nord-atlantica investono la barriera alpina (depressione sottovento o orografica).
In estate i fronti caldi sono poco sviluppati sui continenti per il ridotto contrasto termico tra l'aria calda del fronte e l'aria surriscaldata che grava sulla terraferma, cosicché le perturbazioni che provengono dall'Atlantico si manifestano di solito soltanto come fronti freddi. Viceversa, in inverno i fronti caldi che raggiungono l'Europa divengono molto più attivi dei fronti freddi, perché in questo caso vi è un forte contrasto termico tra l'aria mite di origine atlantica e l'aria fredda che ristagna sul continente.
Il fronte caldo
Il fronte è preceduto, 12-36 ore prima del suo arrivo sulla verticale del luogo, da una diminuzione continua della pressione atmosferica, ma dopo il suo passaggio - nel settore caldo - la pressione resta stazionaria o al più cala molto lentamente. Mentre il fronte passa, il vento ruota bruscamente in senso orario (ad esempio, da sudest a sudovest), e nello stesso tempo si rinforza, per poi calare gradatamente. Il contenuto di vapore acqueo si accresce invece via via che il fronte si avvicina, e continua ad aumentare anche nel settore caldo al suolo, come dimostrato dal fatto che è proprio qui che si formano più frequentemente le nebbie frontali. La coltre di nubi che si forma lungo la superficie frontale calda ha un'estensione di molte centinaia di chilometri, e comprende nell'ordine, partendo dalle nubi che un osservatore fisso vedrebbe per prime: cirri, cirrostrati, altostrati, nembostrati e strati.
Per di più la nuvolosità nel settore caldo, molto intensa vicino al centro di bassa pressione, decresce rapidamente verso l'alta pressione. Le piogge - per lo più deboli o moderate, a meno che non vengano intensificate da un contemporaneo sollevamento forzato da parte di una catena orografica - si manifestano già 200-300 km prima del fronte, e durano senza sosta per molte ore. Ma, in prossimità del suolo, l'ambiente relativamente caldo favorisce un'efficace evaporazione delle goccioline di pioggia, portando così alla saturazione uno straterello d'aria di poche decine di metri, con conseguente formazioni di nebbie (nebbie prefrontali).
Il fronte freddo
È preceduto da una diminuzione, non sempre regolare, della pressione atmosferica. All'atto del suo passaggio sulla verticale del luogo la pressione subisce un brusco rialzo, dopodiché seguita a crescere fino a raggiungere i massimi incrementi orari tra le 6 e le 12 ore dopo. Nello stesso tempo il vento ruota in senso orario (ad esempio da sudovest a nordovest), accompagnato da raffiche talvolta anche violente. Le nubi sono ora di tipo cumuliforme, con frequente presenza di cumulonembi temporaleschi, mentre le piogge sono in genere sotto forma di rovesci intermittenti.
L'aria fredda che segue il fronte, provenendo da più alte latitudini, viene quasi sempre a scorrere su un suolo più caldo, cosicché, per surriscaldamento dal basso, diviene di solito instabile. Ecco perché, anche quando ormai il fronte è lontano qualche centinaio di chilometri, in seno alla massa d'aria fredda si formano, qua e là, cumuli o cumulonembi - accompagnati spesso da temporali (temporali di massa) - di giorno sulla terraferma e di notte sul mare. Un altro tipico fenomeno che si manifesta dopo il passaggio del fronte freddo è il brusco miglioramento della visibilità, in parte perché l'aria fredda contiene di solito poca umidità, e in parte perché i moti turbolenti, di cui è animata l'aria fredda per effetto della sua instabilità, impediscono accumuli di vapore acqueo in prossimità del suolo (situazione che altrimenti potrebbe portare alla formazione di foschie e nebbie). Il miglioramento rapido della visibilità è sempre accompagnato, ovviamente, da una brusca discesa dell'umidità relativa e della temperatura di rugiada.
Occlusione fredda e calda
Se, nella fase di occlusione, l'aria che segue il fronte freddo è più fredda dell'aria che, fino a poco prima, precedeva nel senso del moto il fronte caldo, allora il fronte freddo si incunea ovviamente sotto l'aria meno fredda (occlusione fredda), mentre il fronte caldo e l'aria del settore caldo vengono sollevati in quota.
In questa situazione i fenomeni sono quelli tipici da fronte freddo.
Nel caso opposto, ovvero quando l'aria del fronte freddo è meno fredda di quella che precedeva il fronte caldo, allora l'aria che segue il fronte freddo è costretta a scivolarvi sopra, comportandosi quindi come un fronte caldo (occlusione calda).