La circolazione generale dell’atmosfera
Con il termine “circolazione generale” si intende considerare la distribuzione
delle correnti dell’intera atmosfera, tenendo conto di tutte le scale
temporali-spaziali dei moti atmosferici.
La Terra riceve calore dal sole sotto forma di radiazione ad onda corta, ed a
sua volta irradia un eguale quantità di calore come radiazione ad onda lunga che
viene dispersa nello spazio. Questo bilancio tra calore ceduto e calore
guadagnato, e’ valido solo se si considera l’intero sistema e su di un lungo
periodo.
Nel corso dell’anno, il bilancio radiativo all’Equatore e’ sempre positivo. Ciò
significa che nelle zone equatoriali la radiazione ad onda corta ricevuta e’
sempre maggiore della radiazione ad onda lunga emessa. Al Polo si verifica
l’opposto. L’eccesso di calore che si verifica nella fascia equatoriale viene
trasportato al Polo, altrimenti si verificherebbe un continuo riscaldamento e
viceversa al polo ci sarebbe un raffreddamento. Il trasporto di calore
effettuato dai moti atmosferici e dagli strati superiori dell’oceano,
rappresenta la circolazione generale dell’atmosfera e degli oceani.
La circolazione generale dell’atmosfera e’ uno dei maggiori fattori che
controllano il clima sulla Terra.
Nelle zone tropicali, i venti da est con componente equatoriale (venti alisei)
comportano tempo soleggiato; nel ramo verso i Poli si assiste al fenomeno di
subsidenza con condizioni anticicloniche, che formano i grandi deserti del
pianeta. Alle medie latitudini, il moto medio atmosferico e’ verso est, ma è
molto perturbato. Le regioni polari, a causa della perdita di radiazione sono
caratterizzati da aria subsidente.
Irregolarità nella distribuzione del calore produce il flusso d’aria sud-nord da
regioni calde a quelle fredde, mentre la rotazione della Terra causa i movimenti
da ovest verso est. La rotazione della Terra inoltre aiuta a generare i cicloni
che sono responsabili della maggior parte degli scambi di calore alle medie
latitudini.
Le pertubazioni alle medie latitudini, si muovono principalmente da ovest verso
est, e formano una successione ininterrotta di centri di bassa pressione (o
depressioni), con venti che si muovono senso antiorario nell’emisfero nord,
seguiti da centri di alta pressione (anticicloni), con circolazione oraria.
Il numero più alto di situazioni cicloniche si raggiunge intorno alla latitudine
di 45°.
Se la Terra avesse la superficie uniforme, le zone di alta e bassa pressione si
muoverebbero con eguale frequenza lungo tutte le longitudini per ogni
latitudine. A causa della presenza degli oceani, delle aree contentali e delle
catene montuose, si osserva che gli anticicloni e i cicloni sono posizionati
sopra alcune regione e non su altre. Questo comporta che il flusso medio durante
ciascuna stagione contiene distinti modelli di cella.
Una massa d’aria e’ un corpo avente gradienti orizzontali di temperatura e
umidità relativamente piccoli, ed e’ separato da un’altra massa d’aria da una
brusca zona di transizione, il fronte, caratterizzato da forti gradienti
termici.
I corpi d’aria omogenei orizzontalmente sono prodotti da un prolungato contatto
con una superficie sottostante con temperatura uniforme (sorgente). Queste
regioni sono caratterizzate da venti deboli e sono usualmente situate nelle zone
permanenti o semi permanenti di sistemi con alta pressione ( le aree
subtropicali, gli anticicloni polari, gli anticicloni invernali sul continente).
Questo porta a fornire una classificazione generale di masse d’aria polari o
tropicale sulla base dei valori di temperatura ed umidità.
L’aria che si origina sopra gli oceani intorno alle latitudini 30°-35° Nord,
conosciuta come aria marittima tropicale, risulta abbastanza calda ed umida al
suolo; essa produce i venti alisei e si muove verso ovest verso le zone
temperate.
L’aria continentale tropicale, che si forma sopra i grandi deserti dei tropici,
e’ estremamente calda e secca in superficie, ma quando transita sopra il mare,
si umidifica trasformandosi in aria marittima tropicale.
L’aria polare, alle alte latitudini, può essere suddivisa in aria polare
marittima ed aria polare continentale, a secondo della superficie da cui si
origina. La prima e’ relativamente fredda e molto umida, e si alimenta
nell’estremità del promontorio polare delle latitudini temperate occidentali.
Sulla zona continentale interna dell’Asia e del Nord America si formano estesi
anticicloni, che sono sorgenti estremamente fredde, con venti secchi, che
d’inverno si spengono nelle zone interne continentali.
Le masse d’aria polari e tropicali si incontrano alle medie latitudini lungo la
superficie frontale, comunemente chiamata ‘fronte polare. L’aria calda tropicale
sale su quella fredda polare, cosicchè il fronte sale verso le zone polari con
una pendenza di circa 1° ogni 200m. La zone del fronte polare e’ di solito non
perturbata, essendo definita da una fascia di nubi e da deboli precipitazioni,
ma a volte si forma un’onda sul fronte in cui l’aria calda penetra
orizzontalmente nell’aria fredda. Alcuni di queste onde crescono rapidamente del
giro di pochi giorni, e poichè la penetrazione dell’aria calda nel settore caldo
porta ad una ben definita struttura d’onda. La maggior parte dei moti
ascensionali e del tempo meteorologico in una depressione frontale, ha luogo
lungo il fronte caldo e freddo. Nel fronte caldo, l’aria calda rimuove quella
fredda con una lieve pendenza, coprendo di pioggia e di strati di nubi una vasta
area situata davanti alla depressione; nel fronte freddo invece, l’aria fredda
rimuove quella calda davanti alla zona di depressione, e la superficie frontale
ha una pendenza molto forte, con nubi e pioggia lungo una fascia molto stretta.
L’onda iniziale di perturbazione cresce all’incirca in un giorno nella
depressione frontale. Quando l’aria calda sale e si porta nei livelli più alti
dell’atmosfera sopra la superficie frontale calda, e quando l’aria fredda si
infila sotto l’aria calda, il settore caldo si restringe, con il risultato che
il fronte freddo tende a oltrepassare il fronte caldo. In questo caso si ha il
fronte occluso. Nel primo stadio di sviluppo di una depressione, i valori più
bassi di pressioni si osservano all’estremità dell’onda che si forma nel fronte
polare; ma quando il processo di occlusione continua, il fronte gradualmente si
separa dalla zona di bassa pressione. Nelle fasi successivi della vita di un
ciclone, quando il processo di occlusione e’ completato, l’aria calda viene
completamente sollevata lontano dalla superficie. Una caratteristica frequente
che accade durante l’occlusione, e’ lo sviluppo di un saccatura nella parte
posteriore di una depressione, che e’ spesso accompagnata da cattivo tempo
dovuta alla convergenza dell’aria nella bassa troposfera.
Nell’emisfero Nord, le depressioni si formano frequentemente d’inverno, lontano
dalle coste orientali dell’Asia e del Nord America. Nel primo stadio dello
sviluppo di un ciclone, esso si muove rapidamente verso nord-est, ma dopo 24-30
ore, si occlude e rallenta; diventa stazionario nella parte orientale degli
oceani, e lentamente si esaurisce in parecchi giorni. E’ stato osservato che
raramente una depressione frontale appare da sola, normalmente sono due o tre o
più in una serie, ciascuna nella scia dell’altra con una generale tendenza a
muoversi verso nord-est.
Le depressioni frontali sono per lo più temporali marittimi che si sviluppano
soprattutto sugli oceani. Nella parte interna delle zone continentali,
particolarmente ad est delle Montagne Rocciose e nella parte centrale ed
orientale dell’Eurasia, le aree con copertura nuvolosa e precipitazioni, non
sono molto estese, e in molti casi ci sono zone dove le precipitazioni sono del
tutto assenti. Il tipo di tempo, all’interno di un ciclone, dipende molto dal
luogo e dal periodo dell’anno. Per esempio, sono spesso molto attivi, con forti
temporali sopra la zona orientale degli Stati Uniti, ma raramente influenzano il
tempo nell’Europa Occidentale.
Gli anticicloni sono un altro importante tipo di sistemi meteorologici che si
osservano alle medie latitudini. Essi spesso appaiono come sistemi lenti e
passivi, che riempiono lo spazio tra le veloci depressioni. Gli anticicloni
possono essere suddivisi in freddi o polari sistemi anticiclonici e caldi o
dinamici.
L’anticiclone polare si forma in inverno sopra le terre nordiche, a causa
dell’intenso raffreddamento della superficie nevosa, dando origine ad uno strato
denso ma poco profondo di aria molto fredda. L’alta densità dell’aria fredda
aumenta la pressione in superficie. L’esempio più pronunciato di anticiclone si
può osservare sulla Siberia e quello sull’America del Nord che e’ meno regolare.
Entrambi rappresentano le principali sorgenti di aria fredda polare negli
inverni delle zone nordiche.
L’anticiclone caldo o dinamico e’ causato dalla subsidenza a larga scala
attraverso la profondità della più bassa atmosfera, un buon esempio di questo
fenomeno sono le altezze associate ai moti discendenti delle celle di
circolazione tropicale. Una caratteristica di tutti i cicloni dinamici e’ la
presenza dell’inversione termica nei bassi strati. La subsidenza di solito cessa
all’estremità superiore di questa inversione e il tempo associato con la quota
dipende spesso dalla natura dell’aria fredda in superficie. Se l’aria e’ umida,
si possono formare nubi e precipitazione temporalesche al di sotto
dell’inversione, e questo di solito accade quando il flusso d’aria proveniente
dal mare caldo incontra superfici fredde.
Quando, invece, l’aria in superficie e’ relativamente secca, il cielo e’ privo
di nubi, comportando gran caldo in estate ed intenso freddo in inverno. I
semi-permanenti anticicloni dinamici sono comuni nelle zone sub-tropicali, ma
possono verificarsi dovunque alle medie latitudini in ogni periodo dell’anno.
In inverno la fascia dei venti occidentali alle medie latitudini, si allarga e
la zona subtropicale di alta pressione si muove verso l’equatore da 5° a 10° di
latitudine. Sia la frequenza che l’intensità dei cicloni è maggiore in inverno
che in estate. L’effetto dei continenti sulle variazioni stagionali e’ molto più
marcata sull’ Asia. In inverno, l’aria fluisce esterna in un ampio arco dall’
anticiclone siberiano verso i tropici, mentre d’estate si inverte il movimento.
Questo tipo di circolazione e’ tipica dei monsoni (dall’Arabo, che vuol dire
venti stagionali).
L’influenza della superficie terrestre sul flusso d’aria e’ spesso trascurabile
ad una quota al di sopra dei 2 Km. Le carte del tempo rivelano per grandi
regioni alle medie ed alte latitudini ben definiti sistemi che normalmente si
muovono da ovest verso est con una velocità che è molto più piccola di quella
negli alti strati. La struttura di questi sistemi varia con la quota, vicino
alla superficie, essi hanno relativamente piccole dimensioni (da 1000 a 3000 Km)
e sono molto complessi, mentre nella media ed alta atmosfera, i sistemi sono
relativamente grandi e più semplici. In superficie le caratteristiche
predominanti sono ristrette ai sistemi ciclonici e anticiclonici di forma
irregolare, mentre negli alti strati dominano delle onde lunghe di forma
modellata, le cui dimensioni sono molto più grandi dei corrispondenti sistemi in
superficie. Queste onde, chiamate onde di Rossby, corrispondono ai grossi centri
quasi permanenti di alta e bassa pressione. Ci sono quattro o cinque onde
maggiori intorno all’emisfero, e in seno ad esse viaggiano le onde minori. In
inverno, profonde saccature si trovano sopra la parte orientale dell’America del
Nord e dell’Europa, e vicino la costa orientale asiatica. I promontori sono
situati sulla zona orientale dell’ Oceano Atlantico e Pacifico, e sopra la
Siberia.
Nonostante la tendenza dell’onde lunghe a rimanere in posizioni preferite, il
luogo e l’intensità subiscono frequenti variazioni. All’interno degli alisei
negli alti strati, si trovano le cosiddette correnti a getto, caratterizzate da
venti con velocità che possono raggiungere valori intorno ai 75m/sec.
La circolazione generale dell’atmosfera produce una ampia zonalità latitudinale
delle zone climatiche del mondo. Un’ area calda si trova vicino all’equatore
corrispondente al lato ascendente della cella tropicale, mentre il lato
discendente, nelle zone subtropicale, causa una estesa aridità. Le perturbazioni
alle medie latitudini creano zone fredde ed umide a nord dei deserti
sub-tropicali, mentre nelle zone polari le precipitazioni sono scarse, perchè
l’aria e’ troppo fredda per trattenere vapore acqueo. Questa semplice zonalità
climatica e’ distorta dalla presenza dei continenti. Le perturbazioni portanti
la pioggia, delle zone temperate raramente penetrano nelle zone interne , che
comunque rimangono secche. La più grande modificazione si trova sopra l’Asia del
sud, dove la circolazione di venti si inverte portando pioggia in aree che
normalmente sono deserti subtropicali.