La pressione atmosferica

L'atmosfera terrestre è una miscela di gas che circonda il nostro pianeta e che è trattenuta in pochi chilometri di quota dall'attrazione gravitazionale. Sulla Terra l'intensità dell'accelerazione gravitazionale è tale da trattenere circa il 95% della massa dell'atmosfera nei primi 20 km d'altezza, e il 99,9% nei primi 50 km. Un simile involucro gassoso, per quanto relativamente poco spesso rispetto al diametro terrestre (circa 12.700 km), ha anch'esso un peso ed esercita una pressione sulla superficie della Terra.

La pressione atmosferica è la pressione esercitata da una colonna d'aria alta quanto l'atmosfera.

Dalla nascita ciascuno di noi è costantemente sottoposto a tale peso, tanto da non rendersene neanche conto, un po' come accade per i pesci che nel mare sono "schiacciati" dal peso dell'acqua che li separa dalla superficie, senza che questo comporti alcun fenomeno strano.
Tra i primi scienziati a occuparsi del calcolo di tale pressione va ricordato Torricelli (1608-1647). Egli utilizzò un tubo di vetro di circa 100 cm e del diametro di 1 cm, chiuso da un lato: lo riempì di mercurio e lo capovolse in una bacinella anch'essa piena di mercurio. Il mercurio contenuto nel tubo scese di qualche centimetro per effetto dell'attrazione gravitazionale, lasciando libero uno spazio vuoto nella parte alta del tubicino. La colonna di mercurio in equilibrio misurava 76 cm. Ripetendo l'esperimento con contenitori di dimensioni diverse, si accorse che l'altezza della colonna di mercurio rimaneva sempre pari a 76 cm. Egli dedusse che tale colonna fosse bilanciata dal peso dell'atmosfera, che spinge sulla superficie libera del mercurio contenuto nella bacinella. La conclusione fu quindi che il peso di una colonna d'aria alta quanto l'intera atmosfera uguagliasse il peso di una colonna di mercurio alta 76 cm.
Utilizzando la densità del mercurio (13,6 g/cm³), si può calcolare il peso di tale colonna: a livello del mare si trova 1 kg per ogni centimetro quadrato di superficie.
Tale valore comunque non è costante: molti fattori, quali l'altezza, la latitudine, la temperatura dell'aria, il grado d'umidità, influiscono sul valore della pressione. Ma prima di vedere quale sia l'influenza di ciascuno di essi, cerchiamo di capire per quale motivo in meteorologia la misura della pressione abbia un'importanza fondamentale. In generale si associa al concetto di alta pressione una situazione meteorologica favorevole, mentre alla bassa pressione sono collegate condizioni di maltempo. Pochi però sanno che le indicazioni più utili per una previsione meteorologica si ottengono non dal valore assoluto della pressione, quanto dalla sua variazione nelle ultime ore.

In generale un aumento della pressione indica un miglioramento delle condizioni del tempo, mentre un calo anticipa un peggioramento.

Questa regola va presa con cautela: possono accadere situazioni nelle quali a una diminuzione della pressione segue un miglioramento delle condizioni del tempo o viceversa. Un esempio può essere dato dall'arrivo del Föhn in Val Padana: la pressione atmosferica poco prima dell'arrivo del vento diminuisce sensibilmente, ma tale calo preannuncia ore di tempo bello su Piemonte e Lombardia, con cielo terso, aria secca e con uno splendido panorama dell'arco alpino. Non è quindi solo la pressione atmosferica o la sua variazione a determinare l'andamento del tempo; il meteorologo necessita di informazioni su molte grandezze fisiche per poter realizzare una previsione. In passato invece, quando i modelli fisico-matematici per lo studio dell'atmosfera erano più rudimentali e il contributo dell'informatica doveva ancora arrivare, i meteorologi realizzavano gran parte delle previsioni studiando l'andamento della pressione; una carta di fondamentale importanza era di conseguenza quella delle isallobare.

L'isallobara è la linea che unisce i punti in cui si è avuta, in un determinato tempo, la stessa variazione di pressione.

Per misurare la pressione si utilizzano i barometri. Ne esistono di vari tipi, da quelli a mercurio, che si ispirano all'esperienza di Torricelli, a quelli metallici, detti aneroidi, nei quali un indice ruota all'interno di una scatola ermetica, mosso dalle variazioni di pressione che l'atmosfera esercita sul contenitore.
Sono diverse le unità di misura utilizzate per la pressione. In meteorologia da anni si è adottato l'ettopascal (hPa), che corrisponde a 100 Pascal, dove il Pascal è l'unità di misura stabilita dal Sistema Internazionale delle grandezze fisiche per la misura della pressione. Precedentemente venivano usati anche i millibar, che numericamente corrispondono agli ettopascal. Altre unità di misura che val la pena ricordare sono i millimetri di mercurio (mmHg) e le atmosfere. Di seguito vengono fornite alcune equivalenze tra queste diverse unità di misura:

1 atm = 760 mmHg = 1013,2 mbar = 101320 Pa = 1013,2 hPa

Esistono semplici regole per trasformare una misura in hPa in una in mmHg o viceversa:
• per passare da hPa a mmHg, si moltiplica per 3/4;
• per passare da mmHg a hPa si moltiplica per 4/3.

Vediamo ora quali sono i fattori che influenzano la pressione atmosferica.

Altitudine
Poiché il valore della pressione atmosferica in un punto è legato al peso della colonna d'aria sovrastante, salendo di quota tale valore deve diminuire. Essendo la troposfera alle nostre latitudini spessa circa 12 km, già a 2000 metri di quota si è tagliata una buona fetta della bassa atmosfera, diminuendo consistentemente lo strato d'aria superiore. La dimostrazione è data dal fastidio che si prova alle orecchie durante il cambio di altitudine: la variazione della pressione atmosferica non è bilanciata da un'uguale variazione della pressione che agisce sulla parte interna del timpano. Sbadigliando o deglutendo si ripristina l'equilibrio.
Non esiste una relazione precisa tra la quota e la pressione, poiché altri fattori come la temperatura e l'umidità possono influenzare i risultati. Approssimativamente, si può assumere alle basse quote un gradiente verticale della pressione (cioè una variazione della pressione con la quota) pari a:

1 hPa ogni 8 metri

Il legame tra pressione e altitudine consente di misurare le altezze tramite la pressione; così con una frase tipo "... alla quota di 850 hPa ..." si intende una quota alla quale la pressione vale 850 hPa. A grandi linee valgono i seguenti legami tra quote e pressioni.

Temperatura
All'aumentare della temperatura l'aria si dilata, diminuisce la sua densità e si alleggerisce: in generale una colonna d'aria calda pesa meno di un'ugual colonna d'aria fredda. L'aria fredda è "più pesante" dell'aria calda, e quindi una variazione nella temperatura dell'aria porta a una variazione della pressione. Questo giustifica anche le variazioni diurne della pressione nell'ipotesi di bel tempo: solitamente nel pomeriggio, intorno alle 16:00, si registra un lieve calo della pressione legato al riscaldamento solare. L'entità delle oscillazioni diurne della pressione è comunque molto bassa e non supera mai i 2 hPa.

Umidità
La pressione esercitata da una massa d'aria umida è inferiore a quella esercitata da un uguale volume di aria secca. La spiegazione può essere ricercata a livello molecolare, pensando che le molecole di vapore acqueo presenti nella massa umida hanno preso il posto di molecole di azoto o ossigeno più pesanti.

Le variazioni della pressione
Le cause che portano a una variazione della pressione atmosferica possono essere di natura termica o di natura dinamica.
Nel primo caso è il contributo del riscaldamento solare a portare alla variazione: nelle ore più calde l'aria a contatto con il suolo si riscalda, si dilata e, spinta dalla forza di Archimede, sale nell'atmosfera. Questa risalita provoca un accumulo di molecole d'aria nella parte alta dell'atmosfera, con una conseguente divergenza dell'aria verso l'esterno della colonna. In questo caso al suolo si registra una diminuzione della pressione poiché il numero di molecole d'aria che compongono la colonna è diminuito (negli alti strati si registra invece un aumento della pressione). Al contrario, un raffreddamento del suolo causa un raffreddamento degli strati più bassi dell'atmosfera che, più pesanti, cadranno lentamente verso il suolo; il vuoto lasciato negli strati alti richiama aria dalle zone circostanti. Di conseguenza la pressione al suolo aumenta perché è cresciuto il numero di molecole d'aria contenute nella colonna in esame (negli alti strati si registra un calo della pressione).

Per cause dinamiche si intende il contributo legato alla presenza di zone cicloniche o anticicloniche. Nelle cosiddette zone cicloniche l'aria viene spinta da moti ascensionali verso le parti alte dell'atmosfera, da dove poi viene spinta verso l'esterno della colonna. Il numero di molecole all'interno della colonna quindi diminuisce e la pressione al suolo cala. Al contrario in una zona anticiclonica l'aria viene spinta dall'alto verso il basso, richiamando molecole d'aria negli alti strati della colonna. Il numero totale di molecole nella colonna aumenta e la pressione al suolo cresce.
Variazioni della pressione sono legate anche all'arrivo di masse d'aria con caratteristiche termiche diverse. L'arrivo di aria calda in quota, più leggera, comporta un calo della pressione, mentre l'arrivo di aria fredda, più pesante, causa un aumento della pressione.

Mentre si avvicina un fronte caldo la pressione cala, e una volta arrivato quello freddo la pressione aumenta.

Le isobare

Le isobare sono quelle linee che nelle carte meteorologiche uniscono tutti i punti in cui la pressione atmosferica a livello del mare ha lo stesso valore.

Abbastanza curiosa è la vicenda che più di un secolo fa portò alla nascita della prima carta meteorologica della distribuzione della pressione atmosferica al suolo. Durante la Guerra di Crimea, preoccupato di agevolare lo spostamento delle proprie truppe, Napoleone III commissionò all'astronomo francese Le Verrier la creazione di una rete di osservazione meteorologica su scala europea. Con i dati ricevuti giornalmente grazie al telegrafo da più di duecento astronomi e meteorologi di tutta Europa, Le Verrier creò delle primitive carte sinottiche (dal greco sin opsis, cioè "visione d'insieme"), divenendo così a tutti gli effetti il primo uomo della storia a tracciare delle isobare. Parente stretta della mappa delle isobare è quella delle isallobare sulla quale sono tracciate, sempre sull'area di interesse, le linee di uguale variazione della pressione atmosferica in un dato intervallo di tempo (3, 6 o 12 ore).

Negli anni '70 le mappe delle isobare e delle isoallobare costituivano gli unici e indispensabili supporti di base per formulare le previsioni del tempo.

I cicloni

I cicloni (o depressioni) sono strutture bariche nelle quali le isobare hanno valori decrescenti man mano che si procede dalla periferia verso la zona più interna.
Il vento ruota intorno al centro di bassa pressione in verso antiorario nell'emisfero nord e in verso orario in quello sud.

La parte centrale del ciclone - la zona dove la pressione è più bassa - viene indicata con la lettera B (Bassa) oppure L (Low). Nell'emisfero nord, nei settori del ciclone dove il vento soffia dai quadranti meridionali, l'aria è in genere animata da deboli moti verticali verso l'alto, mentre negli altri settori predominano di solito i moti discendenti.
A seconda delle cause dinamiche che hanno dato luogo alla loro formazione, i cicloni possono essere raggruppati in 4 categorie: permanenti, mobili, orografici e tropicali.

• I cicloni permanenti sono quelli generati dalla circolazione generale dell'atmosfera intorno ai 60 gradi di latitudine. I più famosi rappresentanti della categoria sono il Ciclone dell'Islanda e il Ciclone delle Aleutine.
• I cicloni mobili (o cicloni extratropicali) sono invece gli inseparabili compagni di viaggio dei fronti, le tipiche perturbazioni delle latitudini medio-alte. In tali strutture la curvatura delle isobare è molto accentuata lungo la linea che individua anche la posizione del fronte al livello del mare.
• I cicloni orografici si generano invece sottovento a una catena montuosa, quando questa viene investita quasi perpendicolarmente da veloci correnti in quota. Nella letteratura scientifica mondiale vengono sempre citati, come tipico esempio al riguardo, i cicloni che si formano sul Golfo Ligure quando le Alpi centro-occidentali vengono raggiunte, a tutte le quote, da veloci correnti fredde da nordovest con curvatura ciclonica. Un analogo fenomeno si manifesta sul medio-alto Adriatico, quando l'Appennino centro-settentrionale viene attraversato da intensi venti di Libeccio, purché abbiano, anche qui, una spiccata circolazione ciclonica.
• I cicloni tropicali si generano tra i 10 e i 30 gradi di latitudine, sia nord che sud, là dove le acque superficiali degli oceani superano i 26-27 °C. Le forti correnti ascensionali convettive, che si generano al di sopra di tali aree, vengono ulteriormente amplificate dalle enormi quantità di calore immesse, nell'aria in ascesa, dalla condensazione dell'aria fortemente umida.

Gli anticicloni

Gli anticicloni sono strutture nelle quali le isobare hanno valori crescenti man mano che si passa dalla periferia verso la parte interna, dove la pressione raggiunge il valore massimo.
I venti nelle zone di alta pressione soffiano in verso orario nell'emisfero nord, antiorario in quello sud.

Negli anticicloni le isobare sono molto più distanziate tra loro che nei cicloni, e di conseguenza anche il vento è molto più debole.
A seconda dei fattori dinamici che hanno portato alla loro formazione, gli anticicloni si distinguono in permanenti, orografici e mobili.
• Gli anticicloni permanenti (o subtropicali) sono quelli che stazionano in permanenza intorno a 30-40° di latitudine e si estendono fino ai limiti della troposfera. Tale è l'Anticiclone delle Azzorre, dal quale si staccano frequentemente cellule di alta pressione, che si allungano verso le Isole Britanniche o l'Europa centro-occidentale dove, soprattutto in inverno, tendono a stazionare per lunghi periodi (anche per più settimane). Così facendo, queste cellule di alta pressione bloccano il normale movimento verso levante delle perturbazioni atlantiche, le quali vengono invece deviate verso alte latitudini, senza poter raggiungere in tal modo il Mediterraneo; per questo si parla di anticicloni di blocco.
• Gli anticicloni orografici si generano sul lato sopravvento di un catena montuosa, in presenza di venti più o meno intensi trasversali alla barriera orografica.
• Gli anticicloni mobili o di chiusura sono quelli che chiudono una famiglia di fronti.

Gli anticicloni permanenti e quelli mobili possono essere immaginati, dal punto di vista tridimensionale, come una cupola d'aria, spessa una decina di chilometri, che giorno dopo giorno, per effetto della gravità, tende ad allargarsi alla base e ad appiattirsi alla cima, così come capita a una gocciolina d'olio appoggiata su una superficie piana.

Al loro interno l'aria scende lentamente dal top della cupola verso gli strati prossimi al suolo, ovvero da quote dove la pressione è dell'ordine di 100-500 hPa a quote dove la pressione ha valori intorno a 700-1000 hPa. In questa discesa da pressioni minori verso pressioni via via maggiori, l'aria viene ovviamente compressa e quindi riscaldata.

Il fenomeno, noto come subsidenza, spiega perché gli anticicloni permanenti e gli anticicloni mobili sono costituiti da un nucleo centrale di aria più calda rispetto alle aree adiacenti.

Tale riscaldamento non solo allontana l'aria dalla saturazione, ma fa anche evaporare le microscopiche goccioline di eventuali nubi presenti nell'area ricoperta dall'alta pressione.

Le saccature

Sono aree di bassa pressione a forma di V che tendono a "insaccarsi" tra due aree di alta, e costituiscono in genere la propaggine meridionale dei cicloni.

L'asse di simmetria della struttura, denominato asse di saccatura e orientato in senso meridiano, indica l'area nella quale le isobare mostrano la maggior curvatura.

Nei cicloni mobili collegati ai sistemi frontali, l'area di maltempo è sempre a levante dell'asse della saccatura mentre dietro l'asse il tempo tende a migliorare.

Se il gradiente barico è forte, allora il passaggio dell'asse di saccatura è caratterizzato dall'arrivo di venti freddi e rafficosi (linea di groppo).

I promontori e i cunei

Sono aree di alta pressione che si spingono fra due adiacenti aree di bassa pressione.

Il promontorio, a forma di U rovesciata, costituisce la propaggine settentrionale di un anticiclone, con asse di simmetria rivolto verso i meridiani. Il cuneo ha invece l'asse di simmetria verso i paralleli.
I promontori più comuni sono quelli che separano i diversi membri di una famiglia di perturbazioni.
L'espansione dell'Anticiclone delle Azzorre verso il continente europeo spesso dà luogo a un promontorio esteso fino alle Isole Britanniche, oppure a un cuneo che si allunga fino all'Europa orientale. Nel primo caso si hanno irruzioni di aria molto fredda sull'Italia; nel secondo caso si verificano situazioni di nebbia persistente sulle regioni settentrionali della penisola. Il promontorio è caratterizzato da condizioni di tempo buono, specie nella parte orientale rispetto all'asse; nella zona occidentale invece il tempo buono è limitato solo all'area interessata da correnti a curvatura anticiclonica.
I cunei si formano per cause orografiche, come avviene sul versante nord delle Alpi o dei Pirenei, a causa dell'accumulo di masse d'aria fredda, convogliate contro la barriera montuosa da veloci correnti nordoccidentali. Questa situazione apporta maltempo sul versante settentrionale (Staü) - quello sopravvento - ma dà bel tempo sul versante padano.

La pressione livellata

In un'area dove la pressione è livellata le isobare sono molto distanziate tra loro e non hanno una forma definita.

Questa situazione si osserva, di solito, all'interno delle aree geografiche ricoperte da un anticiclone. I venti sono deboli e le condizioni del tempo sono determinate essenzialmente dall'irraggiamento notturno e dall'insolazione diurna. In un campo livellato i gradienti barici sono in genere inferiori a 1 hPa per 200 km. Nella stagione calda le zone interessate da pressione livellata sono la sede più favorevole per lo sviluppo delle brezze.