AEROLOGIA

AEROLOGIA (I, p. 592; App. I, p. 28)

Questa branca della meteorologia ha ricevuto negli ultimi anni - ed in particolare dopo il 1940 - un impulso fortissimo, dovuto alle necessità sempre crescenti di individuare le condizioni metereologiche al fine di assicurare alla navigazione aerea la maggiore sicurezza entro i più larghi raggi di azioni. Da essa si richiede l'esatta conoscenza delle condizioni attuali e future dell'atmosfera, sino a quote che talvolta raggiungono la substratosfera.

Tale studio è basato sulle osservazioni raccolte a mezzo di "radiosonde", aerei, ecc. da una rete di- stazioni inquadrate nel servizio meteorologico nzionale ed internazionale; tali osservazioni sono accentrate e radiodiffuse secondo convenzioni internazionali. I dati di osservazione vengono elaborati in parte presso le stazioni di osservazione e in parte presso gli uffici meteorologici, logici elaborati e coordinati dalle risultanze dei diversi centri aerologici, non solo nazionali ma anche esteri, si passa alla costruzione delle carte aerologiche sinottiche; dall'esame e dal confronto dei vari monogrammi e di queste carte è possibile dare indicazioni quantitative sulla situazione in quota attuale e futura, fornendo un contributo fondamentale allo studio delle situazioni meteorologiche, sulla base delle osservazioni al suolo, e alla determinazione delle previsioni; contributo la cui importanza si è manifestata anche in relazione alle necessità della navigazione aerea durante la seconda Guerra mondiale e, nel dopoguerra, dell'aviazione civile per il grande sviluppo preso da questa.

Aerologia sinottica. - È il ramo dell'aerologia che studia l'insieme delle osservazioni aerologiche compiute contemporaneamente su di una vasta regiome (p. es: Europa e Atlantico del nord). Esso si è potuto sviluppare solo in tempi recentissimi, perché prima del 1940 solo pochi stati possedevano reti aerologiche efficienti, vale a dire in grado di fornire pressione, temperatura, umidità e vento sino a quote di almeno 5000 metri; attualmente con le radiosonde la quota è portata a 10-20 mila metri e l'Italia, per es., ha 5 stazioni che effettuano ciascuna due di tali sondaggi al giorno, mentre sull'imera regione europea le stazioni di sondaggio sono attualmente una cinquantina.

Le carte aerologiche fondamentali sono quelle dette di topogram assoluta e di topografia relativa. Le prime rappresentano esattamente - con tecnica analoga a quella usata per i rilievi terrestri, cioè mediante linee di livello riferite al mare - la configurazione di una determinata superficie isobarica; le quote della superficie isobarica per il tracciamento di tali linee sono calcolate con i nomogrammi aerologici, completando eventualmente le osservazioni effettive con dati opportunamente estrapolati dalle osservazioni al suolo.

La serie di carte 1-4 della fig. 1, riproduce molto in piccolo e con opportuno sfoltimento le linee isobariche quali risultano dalla sezione, con piani equidistanti di 120 metri a partire dalla quota 5000, della superficie isobarica di 500 millibar (corrispondente a 375 mm. di mercurio); i quattro grafici riguardano l'andamento di tali linee in periodi successivi di 12 in 12 ore nei giorni dal 1 al 2 febbraio 1948.

Le carte di topografia assoluta servono allo studio del vento e cioè del moto delle masse d'aria; infatti, in condizioni quasi stazionarie, la velocità del vento che è diretta parallelamente alle linee di livello, dipende solo dalla inclinazione delle superficie isobariche, cioè dalla fittezza delle linee di livello (gradiente topografico) e della loro curvatura (v. meteorologia dinamica, in questa App.). Opportuni regoli permettono il calcolo diretto del vento dalle carte di topografia.

Le carte di topografia relativa dànno lo spessore della massa di aria compresa tra due superficie isobariche determinate. Tale spessore, ottenuto per differenza dalle carte di topografia assoluta, è proporzionale alla temperatura assoluta media dello strato d'aria; quindi l'andamento della topografia relativa dà la distribuzione orizzontale delle masse calde e fredde, trovandosi le più fredde ove la topografia relativa indica spessori minori, le più calde ove essa presenta spessori maggiori.

Il confronto delle carte di topografia assoluta con quelle di topografia relativa permette di stabilire il movimento delle masse calde e fredde e in particolare il moto d'insieme delle zone o superficie che le separano, cioè delle discontinuità e fronti lungo le quali si manifestano le grandi perturbazioni; la posizione di queste si determina più esattamente riportando sulle carte di topografia le isoterme o addirittura le linee di eguale temperatura pseudopotenziale, che permettono di seguire una stessa massa d'aria nel suo moto e nelle sue vicissitudini per molti giorni consecutivi.

Il confronto fra venti osservati, venti calcolati e andamento delle isoterme rispetto alle isobare alle varie quote, permette di valutare, con l'applicazione del teorema di Bjerknes in una delle sue molte forme, se una perturbazione si andrà rinforzando o attenuando, cioè se le masse d'aria verranno accelerate o ritardate nel loro moto e se i moti convettivi vanno accentuandosi od estinguendosi.

Lo studio più dettagliato viene effettuato mediante sezioni verticali dell'atmosfera, dalle quali risulta evidente la struttura delle discontinuità; di tali sezioni verticali viene fatto largo uso nelle previsioni per le rotte aeree.

Nomogrammi aerologici. - Molti dei calcoli relativi all'aerologia sono accelerati o addirittura resi praticamente possibili dall'uso di opportuni nomogrammi, tra cui essenziali quelli relativi allo studio della statica e termodinamica dell'atmosfera. Alcuni sono fondamentalmente trasformazioni più o meno complesse dei diagrammi di Clapeyron o di quello entropico, trasformazioni che ne rendono più agevole l'uso per lo scopo particolare e più espressivi e confrontabili tra loro i diagrammi ottenuti; altri sono stati studiati in modo da rendere molto semplice il tracciamento delle linee che rappresentano trasformazioni termodinamiche ritenute fondamentali, come, per esempio, le adiabatiche di aria non satura. Tra i primi ricordiamo il nomogramma termodinamico di Refsdal in cui le ordinate sono proporzionate ai logaritmi della pressione

e le ascisse esprimono le temperature assolute (x = β (T − T_o); dx = βdT); in tal modo l'area A compresa entro la curva rappresentante un ciclo è proporzionale alla energia

essendo L il lavoro compiuto sull'esterno dalla unità di massa d'aria che ha subito la trasformazione ciclica. Sui nomogrammi sono riportate, oltre la rete delle isoterme e delle isobare, le adiabatiche di aria non satura e rispettivamente le variazioni di temperatura di grandi ammassi d'aria vapore contenuto.

La fig. 2 mostra invece un nomogramma del tipo ideato dallo Stuve, in cui le adiabatiche risultano rette in quanto sugli assi sono riportate, rispettivamente, la temperatura T e la pressione p elevata a

cioè esattamente: po^k − p^k (l'equazione delle adiabatiche è Tp^k = cost); sul nomogramma è riportato lo studio effettuato per determinare le caratteristiche delle formazioni nuvolose che accompagnano il riscaldamento diurno. È determinata la quota della base della formazione (punto C di saturazione dell'aria in salita), la quota della zona E di espansione orizzontale e quella delle torri S e in particolare la zona delle nubi, che, trovandosi sotto lo zero termico, è costituita da gocce d'acqua sopraffuse e nella quale vi può essere perciò pericolo di formazione di ghiaccio per gli aerei che la attraversano.

Strumenti aerologici. - Negli ultimi anni la serie degli strumenti destinati all'esplorazione dell'atmosfera (meteorografi per palloni frenati, per palloni sonda, per aeroplano) si è arricchita di nuovi elementi, derivati dall'applicazione della radio alla meteorologia. Tra essi i più importanti praticamente sono i meteorografi per radiosonde, destinati ad essere lanciati nell'atmosfera mediante un pallone di gomma libero.

Essi, oltre a possedere i requisiti dei vecchi meteorografi per palloni sonda, sono caratterizzati dall'essere collegati con minuscole stazioni trasmittenti che, da bordo del pallone, inviano continuamente sotto forma di radiosegnali i dati degli elementi meteorologici fondamentali: pressione, temperatura, umidità relativa. Ogni coppia formata da un meteorografo di questo tipo e dalla stazione trasmittente ad essa collegata, costituisce un dispositivo aerologico d'importanza grandissima, che si chiama radiosonda. Il vantaggio della radiosonda sui meteorografi di altro genere sta nel fatto che con essa si conoscono i risultati dell'esplorazione in tempo brevissimo e senza dover attendere che lo strumento venga recuperato.

I tipi di radiosonde attualmente in uso sono numerosi ed il modo con cui gli elementi sensibili (termometro, igrometro, barometro) comandano il radiotrasmettitore può variare sostanzialmente da tipo a tipo. Per esempio la radiosonda americana Diamond-Hinman-Friez, la quale rappresenta un modello perfezionato e che attualmente è impiegata in Italia (fig. 3), consiste in una scatola atta a contenere gli elementi sensibili ed un radiotrasmettitore a doppio triodo, con un'onda portante di frequenza ultraelevata (72,2 megahertz) ed alimentazione mediante batterie. In essa il termometro è a resistenza elettrica (ceramica, con coefficiente di temperatura negativo ed elevato), l'igrometro è anch'esso di tipo elettrico (laminetta di materiale isolante spalmata di un sottilissimo strato di sostanza chimica determinata, la cui conducibilità varia con l'umidità relativa) ed il barometro consta di due capsule aneroidi, che, in funzione della pressione, spostano un braccio su una contattiera. Il barometro in realtà è un barocommutatore: a seconda della posizione del braccio sulla contattiera esso include la resistenza sensibile alla temperatura o quella sensibile all'umidità, o una resistenza di valore fisso. L'onda portante è allora modulata da impulsi, la cui cadenza è funzione della temperatura o della umidità; la pressione è misurata dal numero di commutazioni eseguite, per il cui computo è appunto inserita la resistenza di valore fisso. I radiosegnali emessi dalla radiosonda in volo vengono captati, per la elaborazione dei dati, da una stazione radioricevente posta a terra. Nell'esempio del citato modello americano, l'apparecchiatura ricevente consta di ricevitore, frequenzimetro e registratore. Il primo raccoglie i segnali provenienti dalla radiosonda, il secondo misura ed indica la frequenza del segnale ricevuto, il terzo esegue la registrazione delle frequenze ricevute per temperatura ed umidità. Mediante le curve di taratura dello strumento si passa dal numero d'ordine dei contatti alla pressione e dalla frequenza di modulazione si passa alla temperatura

Con le radiosonde si esplora l'atmosfera fino alla quota di 20-25 km. Una radiosonda in volo può fornire i dati riguardanti il vento in quota, con qualsiasi tempo, per esempio con cielo coperto e con visibilità nulla. Basta che la stazione radioricevente posta a terra sia munita di antenna mobile altamente direzionale, la quale permette di seguire da terra il trasmettitore della radiosonda in volo. Gli angoli di elevazione sull'orizzonte ed azimutali del pallone si deducono direttamente dalla posizione dell'antenna, che è orientata verso il trasmettitore in quota. Nel circuito di questo è incluso il barocommutatore, che fornisce ad ogni istante la quota del pallone. Velocità e direzione del vento si determinano conoscendo quote ed angoli azimutali del pallone, allo stesso modo come nelle osservazioni mediante teodoliti.

Direzione e velocità del vento in quota si possono determinare anche con le cosiddette telesonde, impiegando il principio della radioteletria: si misura il tempo impiegato da un'onda elettromagnetica per compiere il percorso di andata e ritorno tra il suolo ed il pallone; questo, allora, è munito di un minuscolo apparato ricevente-trasmittente. L'angolo azimutale del pallone viene ottenuto con un sistema girevole direttivo di dipoli; la quota viene determinata mediante l'ammissione che la velocità ascensionale sia costante.

Gli stessi elementi si possono determinare mediante la tecnica del radar, dotando il pallone di uno speciale riflettore in luogo del radiotrasmettitore. L'equipaggiamento a terra consiste in un trasmettitore-ricevitore ad onde corte con antenne trasmittenti e riceventi, poste ognuna nel fuoco di un riflettore parabolico. Dal tempo impiegato dalle onde elettromagnetiche per compiere il percorso di andata e ritorno tra il suolo ed il pallone, si deduce la distanza di questo. La direzione verso la quale il fascio è orientato si ricava dall'angolo azimutale. La quota del pallone si determina mediante l'angolo di elevazione e la distanza tra il radar ed il pallone. Direzione e velocità del vento possono essere definite allora come nelle osservazioni mediante teodoliti.

L'impiego del radar consente anche di sopprimere, nella radiosonda, la minuscola stazione trasmittente; basta che gli elementi sensibili (termometro, igrometro, barometro) siano capaci di variare meccanicamente le caratteristiche di un'antenna per radioeco, sospesa al pallone e preventivamente sintonizzata sull'emissione del radar. Questo permette di esplorare l'atmosfera per l'individuazione delle perturbazioni temporalesche dei grandi ammassi nuvolosi e delle zone di forti precipitazioni: giacché utilizza la proprietà, che posseggono le gocce d'acqua, di diffondere e riflettere parzialmente le onde elettromagnetiche di lunghezza convenientemente piccola.