L'altezza geopotenziale e le principali carte meteo a 500 hPa e 850 hPa
L'energia potenziale gravitazionale di un corpo in prossimità della Terra è l'energia che esso possiede quando si trova ad una certa altezza rispetto ad un livello di riferimento. Questa energia è quella che si trasforma in energia cinetica quando il corpo non è più sostenuto da nessuna forza e viene lasciato cadere. Per definizione, l'energia potenziale gravitazionale è anche uguale al lavoro necessario a sollevare il corpo dal livello di riferimento fino all'altezza cui si trova.
Il geopotenziale è definito come l'energia potenziale gravitazionale di un Kg di aria, prendendo come riferimento il livello del mare. L'altezza geopotenziale è, invece, il rapporto tra il geopotenziale e la forza di gravità media al livello del mare ed equivale in prima approssimazione (a meno delle variazioni locali di accelerazione di gravità) all'altitudine sul livello del mare.
L'importanza dell'altezza o quota geopotenziale è dovuta al fatto che essa è largamente usata nei modelli matematici di previsione meteo, al posto della semplice altitudine, perché in atmosfera standard (ideale) ad una data altezza geopotenziale equivale una pressione atmosferica uguale in ogni punto della Terra, mentre non si può dire lo stesso per la quota reale. All'aumentare della quota geopotenziale, inoltre, corrisponde una pressione via via minore, a causa del fatto che con l'aumentare della quota diminuisce il peso della colonna d'aria sovrastante.​ In realtà l'atmosfera è percorsa da variazioni "orizzontali" di pressione a tutte le quote così come al livello del mare, perciò una superficie a pressione costante non sarà mai perfettamente sferica, ma la sua quota geopotenziale sarà diversa da zona a zona.
La quota a cui si rileva una data pressione, infatti, è fortemente influenzata dalla temperatura della colonna d'aria: tanto maggiore sarà la temperatura, tanto più alta sarà la quota geopotenziale a cui troveremo quella pressione. Questo comportamento è dovuto al fatto che l'aria più calda tende ad espandersi (come qualsiasi altro gas) e ad occupare un'altezza maggiore, quindi per far sì che l'aria soprastante la nostra quota sia tale da creare la stessa pressione, bisognerà spingersi più in alto, al contrario se la colonna d'aria è più fredda, l'aria sarà più compressa nei bassi strati, quindi bisognerà scendere di quota per avere sufficiente aria sopra di noi per "creare" la pressione scelta. Ovviamente al livello del mare tutto ciò non vale e la pressione non dipende in modo diretto dalla temperatura.
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La pressione il cui andamento della quota geopotenziale è maggiormente interessante per le previsione meteorologiche è quella di 500 hPa, che è più o meno quella misurata a 5500 metri in atmosfera standard, cioè a metà altezza della troposfera.
L'importanza della carta dell'altezza geopotenziale dei 500 hPa risiede nel fatto che le variazioni di geopotenziale in essa rappresentati sono il principale "motore" del meteo su larga scala (scala sinottica), vediamo peché.
Con la rotazione terrestre, gli strati d'aria più prossimi alla superficie vengono "trascinati" con essa, ma a salire della quota l'aria rallenta il suo moto (a causa del principio di conservazione del momento della quantità di moto), assumendo quindi rispetto alla terra il ben noto movimento da ovest verso est. Tale scorrimento, però, non avviene in modo indisturbato, data la presenza di altre "forzanti" come oceani, terre emerse, variazioni locali di pressione come uragani, ecc. Inoltre la velocità tangenziale della superficie terrestre diminuisce con la latitudine fino ad annullarsi ai poli, quindi i flussi da ovest a est, detti zonali, non sono costanti, ma fluttuano intorno a una condizione di equilibrio: tali fluttuazioni sono note come onde di Rossby o onde planetarie (prima figura). A causa di queste onde, l'aria più fredda in prossimità dei poli può insinuarsi a latitudini più basse e viceversa.
Queste dinamiche sono ben visibili dalle mappe di geopotenziale dei 500 hPa (seconda figura), in cui le quote sono mostrate da curve isoipse (che collegano i punti alla stessa quota) e solitamente alle quote minori sono associati colori freddi (blu-viola) e a quelle maggiori i caldi (arancione-rosso). In questo modo è estremamente facile distinguere tre strutture essenziali: la saccatura, dove l'aria fredda scende di latitudine; il promontorio anticiclonico, dove l'aria calda sale di latitudine; e la goccia fredda che si genera quando una saccatura viene "tagliata" ed aria fredda rimane a latitudini basse, circondata da aria più calda (terza figura). Dedicheremo a queste strutture altre lezioni, per ora ci limitiamo a dire che l'individuazione di queste dinamiche è la base delle previsioni meteo su scala sinottica.
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L'altra carta più usata è quella della temperatura alla quota del geopotenziale di 850 hPa (ultima figura). Come abbiamo detto, la rotazione terrestre "trascina" gli strati più bassi dell'atmosfera, ma tale effetto non è esteso a tutte le quote. Lo spessore di aria influenzato dalla presenza della terra, senza tener conto delle montagne, è detto "strato limite" planetario ed è esattamente pari alla quota geopotenziale di 850 hPa. Lo studio delle carte di temperatura a tale quota, quindi, permette di analizzare lo spostamento "indisturbato" delle masse d'aria con diverse temperature su grandi scale, consentendo di prevedere con discreto anticipo ondate di caldo o di freddo.
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