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In una nostra lezione precedente abbiamo spiegato il concetto di altezza geopotenziale e quanto sia importante la carta della quota geopotenziale dei 500 hPa. Approfondiamo ora questa carta, spiegando come dalla sua analisi possano essere dedotte informazioni essenziali per le previsioni meteo su larga scala (sinottica).

Prima di addentrarci nella spiegazione delle varie figure sinottiche, dobbiamo spiegare perchè è così importante analizzare l'atmosfera a tale quota geopotenziale e per farlo dobbiamo necessariamente scomodare alcuni concetti di fluidodinamica, che in questa sede toccheremo appena cercando di spiegarli in maniera intuitiva, lasciando una trattazione più rigorosa ai testi specialistici. Secondo il Principio di Archimede, la pressione di un fluido in un punto è data dal peso della colonna di fluido che lo sovrasta. Dato che la pressione di 500 hPa è praticamente la metà della pressione atmosferica standard a livello del suolo (1013,25 hPa), ne consegue che la quota dei 500 hPa divide quasi esattamente a metà la massa dell'atmosfera, cioè sotto di essa c'è tanta massa d'aria quanta ce ne è al di sopra. Inoltre la quota dei 500 hPa, che in atmosfera standard è circa 5500 metri, è pressochè la metà in altezza dello spessore della troposfera, cioè la parte di atmosfera in cui avvengono tutti i fenomeni meteorologici di interesse.

L'importanza della supeficie isobarica dei 500 hPa, però, è più tecnica e legata direttamente ai modelli fisici dell'atmosfera. Il campo dei venti a tale quota, infatti, è considerato con buona approssimazione a divergenza nulla. Spieghiamo intuitivamente questa affermazione.

In caso di depressione al suolo (come per esempio in un uragano), alle quote al di sotto dei 500 hPa ci sarà una convergenza dei venti verso la bassa pressione, che cercheranno di "riempire il vuoto" dovuto alla depressione stessa. Come è noto, a causa della forza di Coriolis, i venti che convergono verso una bassa pressione lo fanno ruotando in senso antiorario nell'emisfero nord (circolazione ciclonica): usando i termini della fluidodinamica nella zona di convergenza aumenta la vorticità. Tutta l'aria che affluisce verso un punto, però, non può sparire e nemmeno andare verso il basso a causa della presenza del terreno, quindi ha l'unica possibilità di generare una corrente ascensionale al centro della depressione (evidente negli uragani). Salendo di quota i venti prima o poi devono per forza di cosa arrivare in una zona di divergenza, che disperda l'aria in arrivo dalle quote più basse: nella zona di divergenza la vorticità diminuisce. Tutto ciò vale anche per gli anticicloni, ovviamente ribaltando le direzioni di movimento e rotazione, e considerando la tropopausa come limite invalicabile. Possiamo perciò associare sempre a una convergenza un aumento di vorticità e ad una divergenza una diminuzione di vorticità. Considerando l'aria un fluido incomprimibile (approssimazione valida per i fenomeni atmosferici date le basse velocità in gioco), le zone di convergenza e divergenza in tutta la troposfera si devono "pareggiare" per poter rispettare il principio di conservazione della massa: se ci fosse una prevalenza di convergenza si dovrebbe avere un "pozzo" d'aria, se ci fosse una prevalenza di divergenza si dovrebbe avere una "sorgente" d'aria, il che è impossibile nella nostra atmosfera che è un sistema chiuso. Quindi tenendo in considerazione l'intera troposfera, la divergenza totale è nulla, perchè la massa d'aria è costante, e quindi deve essere costante anche la vorticità totale. Tornando ora al moto ascensionale che collega una convergenza al suolo con una divergenza in quota o viceversa uno discendente che collega una divergenza al suolo con una convergenza in quota, ci sarà sempre una quota di transizione tra un fenomeno e l'altro, in cui la divergenza è nulla: questa quota è considerata modellisticamente pari a quella geopotenziale dei 500 hPa. Applicando a questa superficie isobarica lo stesso principio che abbiamo visto valido per tutta la troposfera, se la divergenza è nulla la massa si conserva e quindi la massa che entra attraverso la superficie è uguale a quella che ne esce. Il fatto ancora più importante è che, non più influenzata dalla divergenza, la vorticità delle singole particelle d'aria rimane costante e quindi viene trasportata dal moto di esse. Qui per particelle d'aria si intende la dimensione minima modellizzata e non le singole molecole, dato che per il modello fisico l'aria è un "continuo", cioè la scala dei fenomeni può essere ridotta quanto si vuole, mantenendo invariate le proprietà del fluido: affermazione ovviamente valida quando si tratta di modelli atmosferici, la cui risoluzione è dell'ordine dei Km.

Abbiamo quindi dimostrato che alla quota geopotenziale dei 500 hPa la vorticità viene trasportata dal movimento delle masse d'aria, risulta quindi molto più facile prevedere dove questa andrà a crescere o a diminuire. Eccone quindi spiegata l'importanza: quella dei 500 hPa è la carta delle avvezioni di vorticità, che è la grandezza fondamentale nello generare le depressioni e gli anticicloni al suolo. Dove c'è avvezione positiva di vorticità si andrà a creare una depressione al suolo ed un movimento ascendente dell'aria: in queste aree la quota geopotenziale dei 500 hPa andrà a diminuire verso il centro della depressione. In caso di avvezione negativa di vorticità si genererà un anticiclone ed una zona di subsidenza (corrente discendente): qui la quota geopotenziale dei 500 hPa andrà ad aumentare verso il centro dell'anticiclone. 

Tenendo ora in mente questa relazione tra vorticità e pressione, diventa facile capire in che modo le famose strutture di saccature e promontori influenzino il meteo. Ricordiamo che la saccatura è un'onda orizzontale del vento alla quota di 500 hPa rivolta con il vertice verso le latitudini più basse e che incunea verso sud (nell'emisfero boreale) tra due anticicloni aria più fredda in quota. Al contrario, il promontorio è un'onda del vento alla quota di 500 hPa rivolta con il vertice verso le latitudini maggiori e che incunea verso nord tra due saccature aria più calda in quota. Se si segue la massa d'aria in una saccatura, si può vedere che essa percorre una curva ruotando in senso antiorario (nell'emisfero boreale), ciò significa che essa ha una vorticità positiva: all'interno della saccatura, quindi, c'è un nucleo di vorticità positiva che viaggia con essa. Dato che le saccature normalmente viaggiano da ovest verso est per la rotazione terrestre, a valle di una saccatura la vorticità tende ad aumentare man mano che essa si sposta, ciò si traduce in una diminuzione della pressione atmosferica al suolo e quindi un peggioramento del meteo. Ovviamente nel promontorio succede l'esatto contrario.

Sia la curvatura a U del vento di una saccatura sia quella rovesciata di un promontorio possono "strozzarsi" fino a creare una circolazione ad O chiusa: in questo caso si parla di goccia fredda nel primo caso e di anticiclone di blocco nell'altro. In queste situazioni l'aria in quota all'interno della circolazione rimane isolata da quella circostante; non scambiando più calore con l'aria limitrofa, queste strutture possono durare a lungo ed insistere sulle stesse zone per giorni, creando rispettivamente condizioni persistenti di maltempo (goccia fredda) o tempo stabile (anticiclone di blocco).

Dal punto di vista termico, nel ramo discendente (nel senso di latitudine) di una saccatura si avrà quasi sempre un'avvezione fredda, dato che l'aria in arrivo giunge da latitudini maggiori, mentre nel ramo ascendente si avrà un'avvezione calda. Per ciò che riguarda le avvezioni termiche, comunque, esistono delle carte più "comode" da osservare, una su tutte quella della temperatura alla quota geopotenziale di 850 hPa, a cui dedicheremo una prossima lezione.

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