M00.15 – Temperatura atmosferica e sua misurazione¶

1. Obiettivi della lezione¶

Al termine di questa lezione sarai in grado di:

distinguere temperatura e calore;
comprendere il significato fisico della temperatura;
conoscere le scale Celsius, Kelvin e Fahrenheit;
effettuare conversioni tra scale termometriche;
comprendere come si riscalda e si raffredda l'atmosfera;
distinguere temperatura dell'aria e temperatura del suolo;
conoscere gli strumenti utilizzati per misurare la temperatura;
comprendere il funzionamento dei termometri;
conoscere le caratteristiche degli schermi meteorologici;
interpretare temperatura massima e minima;
calcolare l'escursione termica;
comprendere l'andamento giornaliero e stagionale della temperatura;
riconoscere le inversioni termiche;
comprendere l'influenza della temperatura sulla stabilità atmosferica.

2. Che cos'è la temperatura¶

La temperatura è una grandezza fisica che descrive lo stato termico di un corpo o di un sistema.

Dal punto di vista microscopico è collegata all'energia cinetica media del moto disordinato delle particelle.

In un gas come l'aria, le molecole si muovono continuamente e urtano tra loro e contro le superfici.

La temperatura è una misura dello stato di agitazione termica delle particelle.

A parità di condizioni, una temperatura più elevata corrisponde a una maggiore energia cinetica media delle particelle.

2.1 Temperatura e sensazione termica¶

La temperatura misurata da uno strumento non coincide necessariamente con la sensazione di caldo o freddo percepita da una persona.

La sensazione termica dipende anche da:

umidità dell'aria;
velocità del vento;
radiazione solare;
temperatura delle superfici circostanti;
abbigliamento;
attività fisica.

Per esempio, due giornate con temperatura dell'aria di 30 °C possono essere percepite in modo molto diverso se una è umida e senza vento e l'altra è secca e ventilata.

2.2 Temperatura dell'aria¶

La temperatura dell'aria è una delle principali grandezze meteorologiche.

Viene misurata mediante sensori collocati in condizioni standardizzate, al riparo dalla radiazione solare diretta e dalle precipitazioni.

La misura deve rappresentare il più possibile la temperatura dell'aria circostante, senza essere alterata dal riscaldamento dello strumento o del supporto.

3. Temperatura e calore: due concetti differenti¶

Temperatura e calore sono grandezze correlate, ma non sono la stessa cosa.

La temperatura descrive lo stato termico di un corpo.

Il calore è energia trasferita tra sistemi a causa di una differenza di temperatura.

Il calore passa spontaneamente dal corpo a temperatura maggiore verso quello a temperatura minore, fino al raggiungimento dell'equilibrio termico, se non intervengono altri processi.

3.1 Un esempio¶

Immaginiamo:

un bicchiere contenente acqua a 80 °C;
una vasca contenente acqua a 25 °C.

Il bicchiere ha una temperatura maggiore.

La vasca, tuttavia, contiene una quantità di acqua molto superiore e può possedere una quantità complessiva di energia interna maggiore.

La temperatura, quindi, non indica da sola quanta energia termica possiede un corpo.

3.2 Unità di misura del calore¶

Il calore è una forma di trasferimento di energia.

Nel Sistema Internazionale si misura in joule (J).

Si utilizza anche la caloria (cal), soprattutto in ambito storico e in alcuni settori applicativi.

1 cal ≈ 4,184 J

4. Le scale termometriche¶

Le principali scale di temperatura sono:

Celsius;
Kelvin;
Fahrenheit.

In meteorologia si utilizza normalmente la scala Celsius nelle osservazioni e nelle previsioni destinate al pubblico.

La scala Kelvin è fondamentale nelle applicazioni scientifiche e nelle equazioni fisiche.

La scala Fahrenheit è utilizzata soprattutto negli Stati Uniti e in alcuni altri contesti.

4.1 Scala Celsius¶

La scala Celsius è costruita utilizzando come riferimenti convenzionali:

0 °C: temperatura di fusione del ghiaccio in condizioni standard;
100 °C: temperatura di ebollizione dell'acqua in condizioni standard.

La pressione influenza la temperatura di ebollizione dell'acqua.

Per questo motivo i due valori sono riferimenti definiti in condizioni specifiche e non rappresentano proprietà universali indipendenti dalla pressione.

4.2 Scala Kelvin¶

Il kelvin è l'unità SI della temperatura termodinamica.

Il suo simbolo è K, senza il simbolo di grado.

Lo zero assoluto corrisponde a:

0 K = -273,15 °C

La relazione tra Celsius e Kelvin è:

T(K) = t(°C) + 273,15

Esempio:

20 °C + 273,15 = 293,15 K

4.3 Scala Fahrenheit¶

La scala Fahrenheit utilizza una suddivisione differente.

La relazione tra Celsius e Fahrenheit è:

°F = (°C × 9/5) + 32

La conversione inversa è:

°C = (°F - 32) × 5/9

Celsius	Kelvin	Fahrenheit
-40 °C	233,15 K	-40 °F
-10 °C	263,15 K	14 °F
0 °C	273,15 K	32 °F
10 °C	283,15 K	50 °F
20 °C	293,15 K	68 °F
25 °C	298,15 K	77 °F
30 °C	303,15 K	86 °F
40 °C	313,15 K	104 °F
100 °C	373,15 K	212 °F

5.6 Attenzione alle differenze di temperatura¶

Una variazione di 1 K ha la stessa ampiezza di una variazione di 1 °C.

Per esempio:

da 20 °C a 25 °C si ha un aumento di 5 °C;
da 293,15 K a 298,15 K si ha un aumento di 5 K.

Le due variazioni rappresentano lo stesso intervallo termico.

6. Come si riscalda l'atmosfera¶

L'atmosfera non viene riscaldata principalmente dal Sole in modo diretto e uniforme.

La superficie terrestre assorbe una parte della radiazione solare e successivamente trasferisce energia all'aria attraverso diversi processi.

I principali meccanismi di trasferimento del calore sono:

conduzione;
convezione;
radiazione;
trasporto di calore mediante avvezione;
cambiamenti di stato dell'acqua e calore latente.

6.1 Radiazione solare¶

Il Sole emette energia sotto forma di radiazione elettromagnetica.

Una parte raggiunge la superficie terrestre e viene assorbita.

L'energia assorbita contribuisce al riscaldamento del suolo, degli oceani e delle altre superfici.

La quantità di energia assorbita dipende da:

angolo di incidenza dei raggi solari;
durata dell'illuminazione;
nuvolosità;
caratteristiche della superficie;
latitudine e stagione.

6.2 Radiazione terrestre¶

La superficie terrestre riscaldata emette a sua volta radiazione infrarossa.

I gas serra, tra cui vapore acqueo e anidride carbonica, assorbono ed emettono parte di questa radiazione.

Questo processo contribuisce al bilancio energetico della troposfera.

6.3 Conduzione¶

La conduzione è il trasferimento di energia termica attraverso il contatto tra materiali o particelle.

L'aria a contatto con una superficie calda può riscaldarsi per conduzione.

Nell'atmosfera la conduzione è particolarmente importante nello strato d'aria immediatamente vicino alla superficie.

6.4 Convezione¶

La convezione comporta il trasporto di calore mediante il movimento del fluido.

L'aria riscaldata vicino al suolo può diventare meno densa e salire.

L'aria più fredda può scendere o spostarsi per sostituirla.

I moti convettivi sono importanti nella formazione di cumuli e temporali.

6.5 Avvezione¶

L'avvezione è il trasporto orizzontale di una proprietà atmosferica mediante il movimento dell'aria.

In meteorologia si parla, per esempio, di:

avvezione calda;
avvezione fredda.

L'avvezione calda si verifica quando una massa d'aria più calda viene trasportata verso una regione.

L'avvezione fredda si verifica quando aria più fredda raggiunge una regione precedentemente occupata da aria più calda.

6.6 Calore latente¶

Quando l'acqua evapora, assorbe energia.

Quando il vapore acqueo condensa, libera energia.

Questi trasferimenti sono molto importanti per l'evoluzione dei sistemi nuvolosi e temporaleschi.

7. Temperatura dell'aria e temperatura del suolo¶

La temperatura dell'aria e quella del terreno sono grandezze differenti.

Durante il giorno il suolo può riscaldarsi rapidamente sotto l'azione della radiazione solare.

L'aria immediatamente sovrastante riceve energia dalla superficie.

Durante la notte il terreno perde energia per emissione di radiazione infrarossa e può raffreddarsi rapidamente.

7.1 Differenze tra superfici¶

Superfici differenti reagiscono in modo diverso alla radiazione solare.

Per esempio:

il terreno asciutto può riscaldarsi rapidamente;
l'acqua tende a variare temperatura più lentamente;
la vegetazione intercetta la radiazione e favorisce l'evapotraspirazione;
l'asfalto può raggiungere temperature molto elevate;
la neve riflette una parte consistente della radiazione solare.

Queste differenze influenzano il microclima locale.

7.2 Temperatura superficiale¶

La temperatura superficiale è quella della superficie stessa.

Può essere misurata mediante sensori a contatto o strumenti a infrarossi.

Non deve essere confusa con la temperatura dell'aria misurata nello schermo meteorologico.

8. Gli strumenti per misurare la temperatura¶

Lo strumento utilizzato per misurare la temperatura è il termometro.

Esistono diverse tipologie di termometro, basate su differenti proprietà fisiche.

8.1 Termometro a liquido¶

Il termometro tradizionale può contenere un liquido che si espande o si contrae al variare della temperatura.

Storicamente sono stati utilizzati:

mercurio;
alcol colorato.

La variazione di volume del liquido viene letta su una scala graduata.

I termometri a mercurio sono stati progressivamente sostituiti in molti impieghi a causa della tossicità del mercurio e delle relative limitazioni normative.

8.2 Termometro bimetallico¶

È formato da due metalli differenti uniti tra loro.

I metalli si dilatano in modo diverso quando la temperatura cambia.

La deformazione del sistema può essere utilizzata per muovere un indice.

È impiegato in alcuni strumenti meccanici e termostati.

8.3 Termometro a resistenza¶

Utilizza la variazione della resistenza elettrica di un materiale al variare della temperatura.

Tra i sensori più diffusi si trovano:

RTD al platino;
termoresistenze Pt100;
termoresistenze Pt1000.

Il numero indica il valore nominale della resistenza a 0 °C:

Pt100: 100 ohm a 0 °C;
Pt1000: 1000 ohm a 0 °C.

Questi sensori possono offrire elevata precisione e stabilità.

8.4 Termistori¶

I termistori sono componenti semiconduttori la cui resistenza varia sensibilmente con la temperatura.

Si distinguono principalmente in:

NTC: la resistenza diminuisce quando la temperatura aumenta;
PTC: la resistenza aumenta quando la temperatura aumenta.

Sono utilizzati in strumenti elettronici, sistemi di controllo e stazioni meteorologiche.

8.5 Termocoppie¶

Una termocoppia è costituita da due conduttori di materiali differenti uniti in un punto.

Una differenza di temperatura tra la giunzione di misura e il riferimento produce una tensione elettrica.

Questo fenomeno è chiamato effetto Seebeck.

Le termocoppie sono utilizzate in un ampio intervallo di temperature.

8.6 Sensori digitali¶

Le stazioni meteorologiche moderne utilizzano spesso sensori elettronici.

Il sensore rileva una proprietà fisica che varia con la temperatura.

Un circuito elettronico converte il segnale in un valore numerico.

I dati possono essere:

visualizzati su un display;
registrati in memoria;
trasmessi via cavo;
trasmessi via radio o rete;
inviati a sistemi di elaborazione meteorologica.

8.7 Termometri a infrarossi¶

Misurano la radiazione infrarossa emessa da una superficie.

Permettono di stimare la temperatura senza contatto diretto.

Sono utili per misurare:

temperatura del suolo;
temperatura delle superfici;
temperatura di tetti e infrastrutture;
temperatura superficiale di oggetti.

Non misurano direttamente la temperatura dell'aria come un normale termometro meteorologico.

9. La stazione meteorologica e lo schermo solare¶

Per ottenere misure confrontabili, il termometro deve essere installato in condizioni standardizzate.

La temperatura dell'aria viene generalmente misurata all'interno di uno schermo meteorologico.

Lo schermo protegge il sensore da:

radiazione solare diretta;
precipitazioni;
riscaldamento eccessivo;
raffreddamento radiativo diretto verso il cielo.

Allo stesso tempo deve permettere una buona ventilazione.

9.1 Schermo meteorologico tradizionale¶

Lo schermo meteorologico tradizionale è una struttura ventilata, spesso di colore bianco, con pareti a lamelle.

Le lamelle riducono l'ingresso della radiazione solare diretta e permettono il passaggio dell'aria.

La superficie esterna bianca contribuisce a riflettere la radiazione solare.

9.2 Schermo a ventilazione forzata¶

Alcune stazioni utilizzano schermi dotati di ventilazione forzata.

Una ventola favorisce il ricambio dell'aria intorno al sensore.

La ventilazione aiuta a ridurre gli errori dovuti al riscaldamento dello schermo e alla scarsa circolazione dell'aria.

9.3 Altezza di installazione¶

Le misure meteorologiche standard della temperatura dell'aria vengono normalmente effettuate a circa 2 metri dal suolo, in un'area rappresentativa e sufficientemente libera da ostacoli.

Le condizioni esatte di installazione dipendono dalle norme e dalle caratteristiche della stazione.

9.4 Errori di installazione¶

Una misura può essere alterata se il sensore viene collocato:

sotto la luce solare diretta;
vicino a muri riscaldati;
sopra superfici asfaltate;
vicino a impianti di climatizzazione;
in prossimità di scarichi d'aria calda;
in luoghi poco ventilati;
troppo vicino a edifici o ostacoli.

La corretta installazione è essenziale per ottenere dati affidabili.

10. Temperatura massima e minima¶

Durante una giornata la temperatura dell'aria varia.

Per descrivere l'andamento termico si utilizzano, tra gli altri, due valori importanti:

temperatura massima;
temperatura minima.

10.1 Temperatura massima¶

È il valore più elevato raggiunto durante un intervallo di osservazione.

Nelle osservazioni meteorologiche giornaliere viene normalmente considerata la massima registrata nel periodo di riferimento.

10.2 Temperatura minima¶

È il valore più basso raggiunto durante lo stesso intervallo di osservazione.

La minima si verifica frequentemente nelle ore prossime all'alba, ma non necessariamente in ogni situazione.

10.3 Termometri di massima e minima¶

Le stazioni tradizionali possono utilizzare strumenti specifici.

Il termometro di massima conserva l'indicazione della temperatura più elevata raggiunta.

Il termometro di minima conserva l'indicazione della temperatura più bassa raggiunta.

Nelle stazioni automatiche i sensori elettronici registrano continuamente i valori e il sistema calcola massimi e minimi nell'intervallo impostato.

10.4 Intervallo di osservazione¶

È importante specificare il periodo al quale si riferiscono massima e minima.

Una massima giornaliera dipende dal criterio di definizione del giorno meteorologico e dall'orario di riferimento della stazione.

11. Escursione termica¶

L'escursione termica è la differenza tra due temperature.

Può essere definita in diversi modi, in funzione dell'intervallo considerato.

11.1 Escursione termica giornaliera¶

È la differenza tra temperatura massima e minima registrate durante il giorno meteorologico.

Formula:

Escursione termica = T massima - T minima

Esempio:

temperatura massima: 29 °C;
temperatura minima: 17 °C.

Escursione:

29 - 17 = 12 °C

L'escursione termica giornaliera è di 12 °C.

11.2 Escursione termica annuale¶

È la differenza tra la temperatura media del mese più caldo e quella del mese più freddo, quando si utilizza questa specifica definizione climatologica.

Esempio:

temperatura media del mese più caldo: 25 °C;
temperatura media del mese più freddo: 5 °C.

Escursione annuale:

25 - 5 = 20 °C

11.3 Fattori che influenzano l'escursione giornaliera¶

L'escursione termica giornaliera dipende da:

nuvolosità;
umidità;
vento;
natura del terreno;
presenza di vegetazione;
vicinanza al mare;
durata dell'illuminazione;
stagione;
caratteristiche del rilievo.

In generale, le giornate serene e poco ventilate possono favorire una forte escursione termica, soprattutto nelle aree interne.

La nuvolosità notturna tende a limitare il raffreddamento radiativo del suolo.

12. Andamento giornaliero della temperatura¶

La temperatura dell'aria presenta generalmente un andamento giornaliero legato al bilancio energetico della superficie terrestre.

12.1 Dopo l'alba¶

Dopo il sorgere del Sole, la superficie terrestre comincia ad assorbire energia solare.

Quando l'energia ricevuta supera quella ceduta, il terreno si riscalda.

L'aria a contatto con il suolo riceve energia e la temperatura comincia generalmente ad aumentare.

12.2 Durante il giorno¶

La temperatura tende a salire mentre la superficie continua ad assorbire energia.

Il massimo non coincide normalmente con il mezzogiorno solare.

La superficie può continuare a guadagnare energia anche dopo mezzogiorno e trasferirla all'atmosfera.

12.3 Nel pomeriggio¶

Il massimo giornaliero si verifica spesso nel primo o medio pomeriggio.

L'orario dipende da stagione, condizioni meteorologiche, vento, nuvolosità e caratteristiche locali.

12.4 Durante la notte¶

In assenza di radiazione solare, la superficie terrestre continua a emettere radiazione infrarossa.

Il terreno può quindi raffreddarsi e raffreddare l'aria vicina.

La temperatura minima si verifica frequentemente poco prima o intorno all'alba.

12.5 Schema concettuale¶

L'andamento tipico è:

minimo nelle ore prossime all'alba;
aumento durante la mattina;
massimo nel pomeriggio;
diminuzione durante la sera e la notte.

Si tratta di uno schema generale: nuvole, fronti, vento e avvezioni possono modificarlo notevolmente.

13. Andamento stagionale della temperatura¶

L'andamento stagionale dipende principalmente dalla variazione dell'energia solare ricevuta dalla superficie terrestre durante l'anno.

I fattori principali sono:

inclinazione dell'asse terrestre;
rivoluzione della Terra intorno al Sole;
durata del giorno;
altezza del Sole sull'orizzonte;
caratteristiche delle superfici;
circolazione atmosferica e oceanica.

13.1 Estate¶

Nell'emisfero boreale l'estate presenta generalmente:

giornate più lunghe;
Sole più alto sull'orizzonte;
maggiore energia solare giornaliera;
temperature medie più elevate.

13.2 Inverno¶

L'inverno presenta generalmente:

giornate più corte;
Sole più basso sull'orizzonte;
minore energia solare giornaliera;
temperature medie più basse.

13.3 Ritardo stagionale¶

Il massimo della temperatura media non coincide necessariamente con il solstizio d'estate.

Analogamente, il minimo non coincide necessariamente con il solstizio d'inverno.

Questo ritardo è legato all'inerzia termica del sistema climatico, in particolare degli oceani e del terreno.

14. Gradiente termico verticale¶

La temperatura dell'atmosfera varia con la quota.

Nella troposfera, in condizioni medie, la temperatura tende a diminuire salendo.

Il gradiente termico verticale descrive la variazione della temperatura con l'altitudine.

In meteorologia si utilizza spesso il gradiente termico verticale ambientale.

14.1 Gradiente medio ambientale¶

Nell'atmosfera standard il gradiente medio nella troposfera è approssimativamente:

6,5 °C per chilometro

Questo valore è una media convenzionale e non una regola valida in ogni situazione meteorologica.

Il gradiente reale può essere molto differente da un luogo all'altro e da un momento all'altro.

14.2 Esempio¶

Una località a 500 metri registra 20 °C.

Se, a titolo puramente illustrativo, si applicasse un gradiente di 6,5 °C/km fino a 1500 metri, la differenza di quota sarebbe:

1500 - 500 = 1000 m = 1 km

La diminuzione teorica sarebbe:

6,5 × 1 = 6,5 °C

Temperatura stimata:

20 - 6,5 = 13,5 °C

Questa è una stima basata su un gradiente ipotizzato, non una previsione della temperatura reale in quota.

14.3 Gradiente reale e gradiente standard¶

Il gradiente reale dipende dalle condizioni atmosferiche.

Può essere:

positivo nel senso della diminuzione della temperatura con la quota;
nullo, quando la temperatura rimane pressoché costante;
negativo, quando la temperatura aumenta con la quota.

Quest'ultima condizione è associata a un'inversione termica.

15. Inversione termica¶

L'inversione termica è una situazione nella quale la temperatura aumenta con la quota in uno strato dell'atmosfera.

È una condizione opposta all'andamento più comune della temperatura nella troposfera.

15.1 Come si forma¶

Una delle situazioni più frequenti si verifica durante le notti serene e con vento debole.

La superficie terrestre perde energia per irraggiamento infrarosso.

L'aria a contatto con il terreno si raffredda.

L'aria immediatamente sopra può rimanere relativamente più calda.

Si crea così uno strato nel quale la temperatura aumenta salendo di quota.

15.2 Inversione nelle valli¶

Nelle valli l'aria fredda, più densa, può accumularsi nelle zone più basse.

L'aria più calda può trovarsi sopra lo strato freddo.

Questo fenomeno è particolarmente frequente durante le notti invernali con cielo sereno e vento debole.

15.3 Conseguenze meteorologiche¶

L'inversione termica può favorire:

stabilità atmosferica;
limitazione dei moti verticali;
accumulo di umidità nei bassi strati;
formazione di nebbia;
ristagno degli inquinanti;
differenze termiche tra fondovalle e versanti.

15.4 Inversione da subsidenza¶

Un'inversione può formarsi anche quando l'aria scende lentamente in un'area di alta pressione.

Durante la discesa l'aria viene compressa e si riscalda.

Questo riscaldamento può generare uno strato relativamente caldo sopra aria più fredda e umida.

15.5 Inversione frontale¶

Può verificarsi anche in corrispondenza di superfici frontali.

Una massa d'aria calda può scorrere sopra una massa d'aria più fredda e densa.

La struttura termica verticale risultante può presentare un'inversione.

16. Temperatura e stabilità atmosferica¶

La stabilità atmosferica descrive la tendenza dell'aria a opporsi o favorire gli spostamenti verticali.

Per comprenderla occorre confrontare la temperatura di una particella d'aria che si sposta verticalmente con quella dell'ambiente circostante.

16.1 Aria stabile¶

In una situazione stabile, una particella spostata verticalmente tende a tornare verso la propria quota iniziale.

Le condizioni stabili limitano generalmente lo sviluppo dei moti verticali.

16.2 Aria instabile¶

In una situazione instabile, una particella spostata verticalmente tende ad allontanarsi ulteriormente dalla quota iniziale.

Questo può favorire:

correnti ascendenti;
sviluppo di nubi convettive;
rovesci;
temporali.

16.3 Aria neutra¶

In condizioni neutre, una particella spostata verticalmente tende a rimanere nella nuova posizione senza una forza netta che la riporti indietro o la allontani ulteriormente.

16.4 Importanza del gradiente termico¶

La stabilità dipende dal confronto tra il gradiente termico ambientale e il comportamento termico della particella che si sposta.

Per una particella d'aria non satura, il raffreddamento durante una salita adiabatica avviene approssimativamente secondo il gradiente adiabatico secco:

9,8 °C/km circa

Per una particella satura, il gradiente adiabatico umido è variabile e generalmente inferiore, perché la condensazione libera calore latente.

La stabilità atmosferica richiede quindi di considerare anche l'umidità.

17. Temperatura potenziale¶

La temperatura potenziale è la temperatura che una particella d'aria avrebbe se fosse portata adiabaticamente alla pressione di riferimento di 1000 hPa.

Si indica generalmente con la lettera greca theta:

θ

La relazione è:

θ = T (p0 / p)^(Rd / cp)

Dove:

θ = temperatura potenziale;
T = temperatura assoluta in kelvin;
p0 = pressione di riferimento, normalmente 1000 hPa;
p = pressione della particella;
Rd = costante specifica dei gas per l'aria secca;
cp = calore specifico dell'aria a pressione costante.

La temperatura T deve essere espressa in kelvin.

La temperatura potenziale è utile per studiare la stabilità e i movimenti delle masse d'aria.

In un processo adiabatico secco ideale, la temperatura potenziale di una particella si conserva.

18. Fattori che influenzano la temperatura meteorologica¶

La temperatura misurata in una località dipende da numerosi fattori.

18.1 Latitudine¶

La latitudine influenza l'angolo di incidenza della radiazione solare e la durata del giorno.

18.2 Altitudine¶

La temperatura generalmente diminuisce con la quota nella troposfera, ma possono verificarsi inversioni.

18.3 Distanza dal mare¶

Il mare ha una maggiore inerzia termica rispetto al terreno.

Le aree costiere presentano spesso escursioni termiche inferiori rispetto alle zone interne.

18.4 Nuvolosità¶

Durante il giorno le nubi possono ridurre la radiazione solare che raggiunge il suolo.

Durante la notte possono limitare la perdita di energia radiativa della superficie.

18.5 Vento¶

Il vento favorisce il rimescolamento dell'aria e può trasportare masse d'aria con caratteristiche termiche differenti.

18.6 Tipo di superficie¶

Terreno, vegetazione, acqua, neve e superfici urbane hanno proprietà termiche e radiative differenti.

18.7 Circolazione atmosferica¶

Le masse d'aria possono trasportare calore da una regione all'altra mediante avvezione.

19. Errori comuni da evitare¶

Confondere temperatura e calore.
Confondere gradi Celsius e kelvin.
Scrivere °K invece di K.
Dimenticare di aggiungere 273,15 nella conversione da Celsius a kelvin.
Pensare che la temperatura dell'aria coincida con quella del terreno.
Misurare la temperatura dell'aria con un sensore esposto al Sole.
Confondere un termometro a infrarossi con un termometro per la temperatura dell'aria.
Considerare il gradiente medio di 6,5 °C/km una regola universale.
Pensare che la temperatura massima si verifichi sempre a mezzogiorno.
Confondere escursione termica e temperatura media.
Ritenere che l'inversione termica sia impossibile nella troposfera.
Confondere conduzione, convezione e avvezione.
Pensare che l'umidità non influenzi i fenomeni termici.
Confondere temperatura misurata e temperatura percepita.
Dimenticare che le misure meteorologiche richiedono una corretta installazione del sensore.

20. Esercizi di verifica¶

Esercizio 1 – Conversione Celsius-Kelvin¶

Converti 18 °C in kelvin.

Esercizio 2 – Conversione Kelvin-Celsius¶

Converti 290 K in gradi Celsius.

Esercizio 3 – Conversione Celsius-Fahrenheit¶

Converti 35 °C in gradi Fahrenheit.

Esercizio 4 – Conversione Fahrenheit-Celsius¶

Converti 68 °F in gradi Celsius.

Esercizio 5 – Escursione termica¶

Una stazione meteorologica registra:

temperatura massima: 31 °C;
temperatura minima: 16 °C.

Calcola l'escursione termica giornaliera.

Esercizio 6 – Gradiente termico¶

Una località a 200 metri registra 24 °C.

Calcola la temperatura teorica a 1200 metri utilizzando un gradiente ipotetico di 6,5 °C/km.

Esercizio 7 – Identificazione dello strumento¶

Quale sensore sfrutta la variazione della resistenza elettrica del platino per misurare la temperatura?

Esercizio 8 – Schermo meteorologico¶

Perché un termometro meteorologico deve essere protetto dalla radiazione solare diretta?

Esercizio 9 – Inversione termica¶

Durante una notte serena e con vento debole, in una valle si osservano 2 °C al fondovalle e 7 °C a 300 metri di quota.

Descrivi la situazione.

Esercizio 10 – Stabilità atmosferica¶

Quale condizione tende a limitare i moti verticali dell'aria: stabilità o instabilità?

Esercizio 11 – Avvezione¶

Una massa d'aria calda viene trasportata orizzontalmente verso una regione più fredda.

Come si chiama questo processo?

Esercizio 12 – Calore latente¶

Che cosa accade all'energia quando il vapore acqueo condensa in una nube?

21. Soluzioni degli esercizi¶

Soluzione 1 – Celsius-Kelvin¶

T = 18 + 273,15

T = 291,15 K

Soluzione 2 – Kelvin-Celsius¶

t = 290 - 273,15

t = 16,85 °C

Soluzione 3 – Celsius-Fahrenheit¶

°F = (35 × 9/5) + 32

°F = 63 + 32

°F = 95 °F

Soluzione 4 – Fahrenheit-Celsius¶

°C = (68 - 32) × 5/9

°C = 36 × 5/9

°C = 20 °C

Soluzione 5 – Escursione termica¶

Escursione = 31 - 16

Escursione = 15 °C

Soluzione 6 – Gradiente termico¶

Differenza di quota:

1200 - 200 = 1000 m = 1 km

Diminuzione teorica:

6,5 × 1 = 6,5 °C

Temperatura stimata:

24 - 6,5 = 17,5 °C

Il risultato è valido soltanto nell'ipotesi di gradiente uniforme indicata nell'esercizio.

Soluzione 7 – Identificazione dello strumento¶

Si tratta di una termoresistenza al platino, per esempio una Pt100 o una Pt1000.

La sua resistenza elettrica varia in funzione della temperatura.

Soluzione 8 – Schermo meteorologico¶

La radiazione solare può riscaldare direttamente il sensore e produrre una temperatura superiore a quella reale dell'aria.

Lo schermo riduce questo errore e protegge anche dalle precipitazioni.

Soluzione 9 – Inversione termica¶

La temperatura aumenta passando dal fondovalle verso la quota superiore.

Si tratta di un'inversione termica, nella quale l'aria più fredda si trova vicino al terreno e quella relativamente più calda sopra.

Soluzione 10 – Stabilità atmosferica¶

La stabilità tende a limitare i moti verticali perché una particella spostata tende a ritornare verso la posizione iniziale.

Soluzione 11 – Avvezione¶

Si tratta di avvezione calda, perché una massa d'aria più calda viene trasportata orizzontalmente verso un'altra regione.

Soluzione 12 – Calore latente¶

Durante la condensazione il vapore acqueo libera energia sotto forma di calore latente.

Questa energia contribuisce ai processi energetici delle nubi e dei sistemi meteorologici.

22. Glossario¶

Termine	Significato
Temperatura	Grandezza che descrive lo stato termico di un sistema
Calore	Energia trasferita a causa di una differenza di temperatura
Celsius	Scala termometrica espressa in °C
Kelvin	Unità SI della temperatura termodinamica
Fahrenheit	Scala termometrica espressa in °F
Zero assoluto	Limite inferiore della temperatura termodinamica, pari a 0 K
Conduzione	Trasferimento di energia mediante interazione tra particelle
Convezione	Trasporto di calore mediante movimento di un fluido
Avvezione	Trasporto orizzontale di una proprietà mediante il movimento dell'aria
Radiazione	Trasferimento di energia mediante onde elettromagnetiche
Calore latente	Energia assorbita o liberata durante un cambiamento di stato
Termometro	Strumento per misurare la temperatura
Termoresistenza	Sensore basato sulla variazione della resistenza elettrica
Pt100	Sensore al platino con resistenza nominale di 100 ohm a 0 °C
Termistore	Sensore semiconduttore la cui resistenza varia con la temperatura
Termocoppia	Sensore basato sull'effetto Seebeck
Schermo meteorologico	Struttura che protegge il sensore dagli effetti diretti dell'ambiente
Temperatura massima	Valore più elevato registrato nell'intervallo considerato
Temperatura minima	Valore più basso registrato nell'intervallo considerato
Escursione termica	Differenza tra due valori di temperatura
Gradiente termico	Variazione della temperatura con la distanza o la quota
Inversione termica	Condizione nella quale la temperatura aumenta con la quota
Stabilità atmosferica	Tendenza dell'atmosfera a limitare gli spostamenti verticali
Instabilità atmosferica	Condizione che favorisce gli spostamenti verticali
Temperatura potenziale	Temperatura che una particella raggiungerebbe portata adiabaticamente a 1000 hPa

23. Riepilogo della lezione¶

I concetti fondamentali da ricordare sono:

La temperatura descrive lo stato termico di un corpo.
Il calore è energia trasferita a causa di una differenza di temperatura.
Nel Sistema Internazionale la temperatura si misura in kelvin.
La scala Celsius è quella più utilizzata nelle osservazioni meteorologiche di uso comune.
Una variazione di 1 K equivale a una variazione di 1 °C.
L'atmosfera viene riscaldata soprattutto attraverso gli scambi energetici con la superficie terrestre.
Conduzione, convezione, radiazione e avvezione sono processi differenti.
La temperatura dell'aria non coincide con quella del suolo.
Il termometro deve essere installato in uno schermo meteorologico correttamente ventilato.
La temperatura massima e minima descrivono gli estremi dell'intervallo osservato.
L'escursione termica è la differenza tra temperatura massima e minima.
La temperatura presenta generalmente un andamento giornaliero e stagionale.
Nella troposfera la temperatura tende mediamente a diminuire con la quota.
L'inversione termica si verifica quando la temperatura aumenta salendo di quota.
La stabilità atmosferica limita generalmente lo sviluppo dei moti verticali.
La temperatura e l'umidità sono elementi fondamentali per comprendere la formazione delle nubi e delle precipitazioni.

Concetto chiave: la temperatura non è soltanto un dato riportato da un termometro. È una grandezza fondamentale per comprendere gli scambi energetici, la circolazione atmosferica, la formazione delle nubi e l'evoluzione dei fenomeni meteorologici.

24. Collegamento con la lezione successiva¶

La prossima lezione sarà dedicata alla radiazione solare e al bilancio energetico terrestre.

Studieremo:

radiazione elettromagnetica;
spettro della radiazione solare;
lunghezza d'onda e frequenza;
radiazione ultravioletta, visibile e infrarossa;
costante solare;
angolo di incidenza dei raggi solari;
assorbimento, riflessione e trasmissione;
albedo;
radiazione terrestre;
effetto serra;
bilancio radiativo;
variazioni giornaliere e stagionali dell'energia solare;
ruolo della radiazione nella circolazione atmosferica.

Questi argomenti permetteranno di comprendere da dove proviene l'energia che alimenta i fenomeni meteorologici.