METEOROLOGIA TEMPERATURA

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1 METEOROLOGIA La meteorologia è la disciplina che studia l evoluzione del tempo atmosferico, cioè i fenomeni che riguardano il primo strato dell atmosfera detto troposfera. Per comprendere i fenomeni atmosferici occorre conoscere le caratteristiche dell aria che avvolge la terra. L aria è un miscuglio omogeneo di sostanze allo stato aeriforme, ma anche liquido e solido. Una parte di aria, come qualsiasi corpo ha una serie di caratteristiche, dette grandezze fisiche, che possono essere misurate. La troposfera ha uno spessore variabile. E' minore ai poli e maggiore all'equatore. TEMPERATURA La temperatura è una grandezza che indica il trasferimento di energia termica da un corpo ad un altro. Per misurare la temperatura si usa uno strumento detto termometro. Esso è costituito da un bulbo di vetro con all interno una sostanza liquida capace di dilatarsi quando le sue molecole vengono messe in movimento da quelle dell aria. L energia delle molecole d aria viene trasferita a quelle del vetro e conseguentemente a quelle del liquido (liquido rosso nella foto). Lo strumento tarato fornisce la misura della temperatura. Esistono diverse scale di misura. Nel Sistema Internazionale di Misura si usa la Scala Kelvin mentre nella vita di tutti i giorni siamo abituati ad utilizzare la Scala Celtius. La relazione che lega le due unità di misura è T (K) = t ( C)

2 Un po di matematica 1. Come sai il ghiaccio fonde a 0 C. A quanti gradi Kelvin corrisponde? 2. 0 K è detta temperatura assoluta perché teoricamente non raggiungibile. A quanti C corrisponde? 3. A quanti gradi Kelvin bolle l acqua? 4. Considera la formula T (K) = t ( C) una equazione in cui X è la temperatura in gradi centigradi da trovare. o Qual è la temperatura di una stanza in C se ci sono 292 K? o Qual è la temperatura sulla pista da sci in C se ci sono 269 K? o Qual è la temperatura in questo momento in Siberia in C se ci sono 253 K 5. In un giorno d estate faceva caldo, si poteva fare il bagno in mare. Poi durante la notte la temperatura scese fino a 18 gradi C, diminuendo di 1/3 rispetto a quella del pomeriggio. Quant era la temperatura nel pomeriggio? 6. Un artista ordina un blocco di ghiaccio a forma di parallelepipedo. o A quale temperatura minima in Kelvin dovrà lavorare perché non si sciolga? o Qual è il suo volume se le dimensioni in metri sono 2,5-1,2 0,8? o Ricordando che la densità dell acqua è 1 kg/dm 3 qual è la massa del blocco di ghiaccio in kg? 7. Descrivi il comportamento della temperatura al variare dell altitudine all interno della troposfera. 8. Nel giardino della scuola c è una stazione meteorologica. Essa invia ad un piccolo computer i valori della temperatura. Prendi nota della temperatura ogni giorno (solo il numero intero) per un mese ed elabora i dati compilando una tabella. Valori Frequenze Frequenze relative 2

3 PRESSIONE E VENTI L aria possiede un altra caratteristica molto importante, esercita una forza sulla superficie terrestre e quindi anche sugli esseri viventi che la abitano. Questa grandezza fisica viene detta pressione atmosferica e viene misurata con varie unità. Evangelista Torricelli misurò nel 1644 la pressione atmosferica con semplici strumenti. Lo scienziato romano definì 1 atmosfera la misura della pressione che l aria esercita al livello del mare ad una temperatura di 0 C sulla superficie del mercurio nella bacinella fermando la colonna di mercurio dentro al tubo di vetro ad un altezza di 760 mm, cioè 760 mm Hg. Tale misura può essere espressa anche come 760 torr. Lo strumento usato per misurare la pressione atmosferica si chiama barometro. Puoi divertirti costruendo tu un barometro cliccando sul link seguente 3

4 La pressione atmosferica diminuisce all aumentare della temperatura dell aria e della sua umidità, cioè della presenza di molecole d acqua al suo interno (la molecola d acqua infatti è più leggera del miscuglio di azoto e ossigeno). La conseguenza è che sulla terra si possono formare aree anticicloniche (pressione più alta) e aree cicloniche (pressione più bassa). L aria tende a spostarsi da aree a pressione più elevata a quelle a pressione più bassa formando così i venti. Essi si possono muovere a diverse velocità in base al gradiente barico (di pressione). Esso dipende dalla differenza di pressione e dalla distanza delle zone tra cui si genera il vento. La velocità può essere misurata in m/s o in km/h. La direzione viene segnalata da una banderuola posta sullo strumento detto anemometro. Un vento settentrionale spira da nord verso sud. La velocità è misurata con piccole braccia che ruotano. Per avere un idea dei venti che spirano nel Mediterraneo, e quindi sull Italia, si deve prendere come riferimento la Rosa dei Venti. Per gli antichi greci era centrata sull'isola di Zante, mentre per la tradizione romana, al Centro del Mediterraneo. Un po di matematica 9. Nel Sistema Internazionale di misura la pressione viene misurata in Pascal. Al livello del mare, ad una temperatura di 0 C, la pressione è 1 atmosfera Pascal. In ambito meteorologico si usa l ettopascal (hpa). o A quanti hpa corrispondono Pa? o A quanti hpa corrisponde 1 atmosfera? 10. Ti sarà capitato di vedere alla televisione programmi di meteorologia in cui la pressione atmosferica viene misurata in millibar (mbar). Risulta 1 atmosfera 1 bar = 1000 mbar. o A quanti hpa corrispondono 1000 mbar? 4

5 11. Nell esperimento di Torricelli la colonna di mercurio aveva una forma cilindrica, un altezza di 76 cm e una base di 1cm 2. o Calcola il suo volume. o Calcola la sua superficie totale o Sapendo che la densità del mercurio è 13,55 kg/dm 3, calcola la misura della massa in kg della colonna di mercurio. o Quanto pesa in kgp la colonna di mercurio? 12. Nella foto si vede come varia la pressione con l altitudine. o Aumenta o diminuisce con l aumento di quota? o Qual è il valore della pressione in cima all Everest? o Trasforma il valore trovato in atmosfere. 13. Immergendosi in acqua avvertiamo noia agli orecchi, sintomo che sta aumentando la pressione che l acqua esercita su di noi. Ogni 10 metri la pressione aumenta di 1 atm. o A quale pressione è sottoposto un sub a 60 metri di profondità? o Esprimi con notazione scientifica il valore in Pascal. 14. Nel giardino della scuola c è una stazione meteorologica. Essa invia ad un piccolo computer i valori della pressione. Prendi nota della pressione ogni giorno per un mese ed elabora i dati compilando una tabella. Calcola, dopo aver compilato la tabella, la media, la moda e la mediana dei valori registrati. Valori Frequenze Frequenze relative 15. Controlla la velocità del vento registrata dalla stazione meteo in giardino. Trasforma poi la misura della sua velocità da Km/h in m/s. 16. Per indicare la velocità del vento si usa talvolta l unità di misura del nodo. Esso corrisponde nei paesi anglosassoni ad un miglio orario, cioè 1,852 km/h. Trasforma questa misura in m/s. 17. Un vento spira ad una velocità di 20 m/s. Qual è la sua velocità in nodi? UMIDITA Il contenuto di vapore acqueo presente in una massa d aria è detto umidità. L umidità assoluta è la quantità di vapore acqueo presente in un volume di aria e viene espresso in g/m 3. Essa dipende dalle condizioni di temperatura e pressione atmosferica. Ad esempio più è caldo e più è il vapore contenuto nell aria. L umidità relativa è data dal rapporto tra il vapore contenuto in un dato volume d aria e la quantità massima contenibile a quella data temperatura e pressione. Essa si esprime con un numero o con una percentuale. La misura dell umidità dell aria viene fatta con l igrometro. 5

6 In meteorologia una nuvola, nel linguaggio scientifico chiamata più comunemente nube, è un corpo costituito da minute particelle d'acqua condensata e/o cristalli di ghiaccio, sospese per galleggiamento nell'atmosfera e solitamente non a contatto con il suolo. L aria calda e umida sale verso l alto, si raffredda e forma le minute goccioline e cristalli di acqua. Quando esse raggiungono determinate condizioni di peso cadono verso il basso producendo pioggia e neve. La nebbia è il fenomeno meteorologico per il quale una nube si forma a contatto con il suolo. A causa della diffusione della luce solare da parte dell'acqua in sospensione la nebbia si manifesta come un alone biancastro che limita la visibilità degli oggetti. PRECIPITAZIONI In meteorologia con il termine precipitazioni si intendono tutti i fenomeni di trasferimento di acqua allo stato liquido o solido dall'atmosfera al suolo ovvero pioggia, neve, grandine, rugiada, brina ecc. rappresentando una fase del ciclo idrologico, cioè l apporto di acqua sulla superficie terrestre. Le precipitazioni vengono misurate con il pluviometro, uno strumento che consiste in un piccolo recipiente in genere di forma cilindrica e dalle dimensioni standardizzate, che ha il compito di raccogliere e conservare la pioggia che si è verificata in un certo intervallo di tempo sul territorio dove è installato. Il pluviografo è uno strumento che ha il compito di registrare la quantità di pioggia scesa ad una scala temporale inferiore al giorno. Attualmente sono disponibili pluviografi digitali con risoluzione temporale dell'ordine di qualche minuto. Convenzionalmente in Italia la pioggia viene misurata in millimetri (misura indipendente dalla superficie). In Italia piovono dai 100 mm ai 3000 mm all'anno; un giorno di pioggia fine non porta più di 1 mm d'acqua, mentre un temporale lungo e violento porta anche 30 mm d'acqua (in Italia le regioni più piovose sono il Friuli-Venezia Giulia, la Liguria e la Campania). Per avere idea della quantità di acqua caduta su un area bisognerà moltiplicare l altezza della lama d acqua (mm di acqua caduta) per la superficie terrestre considerata (bacino idrografico). EFFETTO SERRA Pluviometro della scuola (parte anteriore). All interno un piattino si svuota e registra la pioggia caduta. L effetto serra è un fenomeno atmosferico-climatico che indica la capacità di un pianeta di trattenere nella propria atmosfera parte dell'energia proveniente dalla sua stella. Esso fa parte dunque dei complessi meccanismi di regolazione dell'equilibrio termico di un pianeta (o satellite) e agisce attraverso la presenza in atmosfera di alcuni gas - detti appunto gas serra - che hanno come effetto globale quello di mitigare la temperatura dell'atmosfera isolandola parzialmente dalle grandi escursioni termiche a cui sarebbe soggetto il pianeta in loro assenza (la temperatura raggiungerebbe di notte valori molto al di sotto degli 0 C). 6

7 Il termine deriva dall'analogia non pienamente corretta con quanto avviene nelle serre per la coltivazione (in questo caso vi è infatti anche un blocco della convezione atmosferica che è un'altra modalità di trasferimento del calore). L'effetto serra terrestre è creato da una serie di fenomeni che interagendo tra di loro regolano costantemente il contenuto dei gas serra in atmosfera, e proprio grazie all'effetto serra terrestre è possibile la presenza e lo sviluppo della vita sulla Terra. I raggi provenienti dal sole sono molto più aggressivi (raggi di color blu nella foto) e penetrano nell atmosfera. In parte vengono assorbiti dalla superficie terrestre e riemessi ma con una intensità minore di quando sono arrivati (raggi di color rosso nella foto). Sono questi In una serra è la copertura a trattenere i raggi solari. ultimi ad interagire con le molecole dell aria, sollecitandole e causando un aumento della loro energia e quindi della temperatura. Nella figura si notano i legami della molecola di CO2 che vengono fatti vibrare. Questa vibrazione causa un aumento di energia che viene trasferita alle molecole vicine dell aria causando un aumento di temperatura. Nell'atmosfera sono i gas a trattenere i raggi solari. L'effetto serra consente alla Terra di mantenere una temperatura adatta per lo sviluppo e il mantenimento della vita. Questo effetto è possibile grazie alla presenza nell'atmosfera di alcuni gas, chiamati appunto gas serra; i principali sono, in base alla concentrazione in atmosfera: vapore acqueo (H2O), che rappresenta circa il 50% dei gas serra; anidride carbonica (CO2), circa il 5%; metano (CH4), con il potenziale di 23 volte superiore alla CO2; ossido di azoto, presente in concentrazione molto ridotta, ma con un potenziale di riscaldamento globale molto più elevato; protossido di azoto (N2O) il suo potenziale è di ben 296 volte superiore alla CO2; ozono (O3). In particolare, la concentrazione di metano in atmosfera è aumentata da 700 ppb (parti per miliardo) nel periodo a ppb nel 2000, con un incremento del 150%, ed è responsabile del 20% dell'incremento dell'effetto serra. Invece l'anidride carbonica è passata da 280 ppm di fine settecento ai 385 ppm attuali con un incremento del 37,5% (è il valore più alto da anni a questa parte). Le cause dell'aumento della CO2 sono fattori sia umani che naturali, ma secondo l'ipcc, comitato scientifico formato nel 1988 dalle Nazioni Unite, è indubbio che le attività umane incidano maggiormente sull'aumento delle temperature e quindi sul riscaldamento globale. Pur riconoscendo le incertezze che esistono sulle conoscenze del sistema climatico e della sua evoluzione in relazione a perturbazioni provenienti dalle attività umane, l'ipcc non solo è convinto che i cambiamenti del clima globale sono già in atto, ma ritiene anche che i futuri cambiamenti climatici saranno ormai inevitabili, dal momento che esistono lunghi tempi di ritardo fra cause ed effetti nei processi climatici. 7

8 Negli ultimi anni, a partire dalla rivoluzione industriale, la combustione dei giacimenti fossili ha invertito il processo avvenuto durante il periodo carbonifero, reimmettendo nell'atmosfera il carbonio sepolto da milioni di anni sotto forma di enormi quantità di anidride carbonica (attualmente circa 25 miliardi di tonnellate all'anno) e altri gas serra. Inoltre, secondo le stime, il pianeta riuscirebbe oggi a riassorbire, mediante la fotosintesi clorofilliana e l'azione delle alghe degli oceani, meno della metà delle emissioni, anche a causa della deforestazione. Nel grafico si evidenziano gli andamenti dei valori della concentrazione della CO2 e della temperatura nell ultimo millennio. Non si può non notare la stretta relazione che lega aumento della CO2 e innalzamento della temperatura negli ultimi cento anni. La figura mostra le fonti di CO2 in Italia. Come si evince dal grafico, i settori energia, trasporti e civile (residenziale, terziario, etc..) sono tra le maggiori cause di emissioni di CO2. Il settore civile in particolare rappresenta il 20% di tutta la CO2 emessa. Con tante persone che spendono il proprio tempo a casa o presso il luogo di lavoro, non è affatto sorprendente che gli edifici incidano per una percentuale così ampia. Negli edifici, l'energia spesa per il condizionamento dell'aria (estivo ed invernale) e la produzione di acqua calda rappresenta poi la percentuale più ampia dell'energia spesa. Un po di matematica 18. Nel giardino della scuola c è una stazione meteorologica. Essa invia ad un piccolo computer i valori dell umidità relativa. o Prendi nota dei dati ogni giorno per un mese ed elabora i dati compilando una tabella. o Calcola, dopo aver compilato la tabella, la media, la moda e la mediana dei valori registrati. o Infine rappresenta i dati di frequenza su un diagramma a barre. Valori Frequenze Frequenze relative 8

9 19. In figura è rappresentato il bacino idrografico del Canale Lagora che fiancheggia Viale Amendola nella Città della Spezia. La sua superficie è di circa km 2. o Ipotizzando che in un giorno cadano 5 mm di acqua, quanti metri cubi defluiscono lungo il canale ed entrano in mare? o A quanti litri corrispondono? o Esprimi con notazione scientifica la quantità in litri (Per il calcolo immagina un parallelepipedo in cui la superficie del bacino è la base e i mm di acqua caduta l altezza). 20. Calcola dopo aver impostato le equazioni. o Il 16 ottobre del 2015 il pluviografo della scuola registrò una precipitazione pari al doppio di quella del giorno prima. In due giorni caddero 12 mm di acqua. Calcola i mm di acqua caduti in ciascuno dei due giorni. o Il triplo dell acqua caduta nel mese di dicembre 2015 nel Comune della Spezia equivale a 78 mm. Quanta acqua è caduta in quel mese? o Nei mesi di gennaio e febbraio 2014 la pioggia caduta fu di 673 mm. Calcola i contributi dei singoli mesi sapendo che in febbraio caddero 223 mm in meno. 21. In tre giorni di agosto 2014 caddero 20 mm di acqua. Il secondo ed il terzo giorno le precipitazioni furono rispettivamente un terzo ed il doppio della prima. Calcola il contributo dei singoli giorni. 22. La concentrazione di un gas si esprime in ppm (parti per milione), cioè in mg/kg. o Qual era la concentrazione di CO2 in ppm nel 1500? 23. Nell anno 1000 la concentrazione di CO2 era di 280 ppm. Dopo mille anni, nel 2000, la concentrazione era di 360 ppm. Calcola l aumento percentuale. 24. Calcola, facendo riferimento alla figura a pag. 9: o l aumento della temperatura negli anni che vanno dal 1900 al 2000 o l aumento in percentuale. Bacino imbrifero del Canale Lagora. 25. Calcola quanti litri sono contenuti al colmo in un pluviometro alto 45 cm e con la base avente raggio uguale a 13 cm. 9

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