Meteorologia
Meteorologia
(XXIII, p. 73; App. II, ii, p. 301; III, ii, p. 92; IV, ii, p. 458; V, iii, p. 444)
Alla m. è dedicata un'ampia trattazione nell'Enciclopedia Italiana, dove vengono esposti i fondamenti della fisica dello strato atmosferico che va dalla superficie terrestre sino alla tropopausa: strato che, per brevità, sarà nel seguito chiamato atmosfera. La voce è tuttora una valida esposizione del tema. All'epoca della sua stesura (1934) si disponeva di limitate osservazioni di quella parte dell'atmosfera che rivelò poi contenere fenomeni di grande importanza allora sconosciuti, quali, per es., le correnti a getto. Nel dopoguerra compare nell'App. II l'aggiornamento delle metodiche di osservazione dell'atmosfera; viene presentata l'Organizzazione Meteorologica Internazionale, poi divenuta Mondiale, che sarà protagonista importante nel processo di scambio di informazioni tra Est e Ovest negli anni della guerra fredda. All'inizio degli anni Sessanta, nell'App. III vengono esaminati i nuovi studi sulla m. del dopoguerra e si analizzano le nuove forme di previsione del tempo. L'aggiornamento dell'App. IV presenta i risultati degli esperimenti di cooperazione internazionale che hanno messo in luce le deficienze della rete mondiale di osservazioni meteorologiche. Nell'App. V viene fatto il punto della situazione sulle conoscenze e sulle applicazioni pratiche della m. conseguenti al progresso tecnologico.
La visione innovativa della m., che si è venuta formando negli anni recenti con sempre maggior chiarezza, tratta l'atmosfera, con la sua dinamica da cui hanno origine i fenomeni meteorologici, come una parte inseparabile del sistema interagente formato dall'idrosfera, dalla radiazione solare e terrestre, dalla litosfera e dalla biosfera. In una tale visione unitaria l'evoluzione dell'atmosfera, e quindi dei fenomeni meteorologici, è il risultato dell'evoluzione della Terra come sistema complesso. L'aumentata incidenza sulle attività umane degli eventi eccezionali (alluvioni, tempeste ecc.), dovuta alla pressione crescente operata dall'uomo sull'ambiente (il cosiddetto stress ambientale), ha condotto gli studiosi a ricercare le cause degli eventi catastrofici anche nelle piccole variazioni di ciascuna delle componenti del sistema Terra, di cui l'atmosfera è la parte di gran lunga più sensibile e mutevole nella sua evoluzione quotidiana per il tempo meteorologico e, a più lunga distanza, per il clima. Il nuovo approccio teorico alla m. ha orientato gli studi verso la comprensione dei meccanismi d'interazione tra i diversi sottosistemi, allo scopo d'individuare quali siano i motori reconditi del tempo meteorologico. Non si deve trascurare anche il fatto che la pressione antropica sull'ambiente rende tutte le attività umane molto più sensibili agli effetti degli eventi atmosferici. Nel corso degli anni Novanta la m. ha risentito più di qualsiasi altra disciplina di un effetto di globalizzazione, in quanto i fenomeni meteorologici che si osservano in un determinato luogo a un dato istante sono l'effetto di altri fenomeni che sono avvenuti nell'atmosfera e sugli oceani in ogni altra parte del mondo. Questa interconnessione mondiale tra gli eventi atmosferici, oceanici, della radiazione solare e terrestre e più in generale della stessa biosfera ha portato la m. a orientarsi non più soltanto alla fenomenologia aerofisica, ma anche alla geosfera nel suo complesso: ciò senza trascurare il fatto che nelle aspettative comuni la previsione del tempo è tuttora l'obiettivo principale della meteorologia. Il valore economico delle previsioni del tempo è venuto infatti ad assumere un'entità tale da rendere molto piccolo il rapporto tra i costi di produzione di una previsione e i risparmi in termini di danni alle attività economiche direttamente legate agli eventi atmosferici, senza contare le vite umane che si riesce a salvare, ogniqualvolta si abbia successo nella previsione di eventi meteorologici estremi, con le attività della m. per la protezione civile. Un risvolto della globalizzazione della m. si osserva con la diffusione su Internet, la rete mondiale d'informazione telematica, di quantità sempre maggiori di dati meteorologici, climatici e più in generale ambientali, osservati e previsti, accessibili liberamente a chiunque.
Le osservazioni
Le osservazioni dello stato fisico dell'atmosfera continuano a essere l'elemento di base per ogni stima fisico-matematica degli eventi atmosferici futuri. La costituzione (1947) dell'Organizzazione Meteorologica Mondiale (OMM), agenzia dell'ONU, fu il primo passo verso l'attuale globalizzazione della moderna m. operativa, finalizzata all'individuazione e alla previsione di tutti quegli eventi atmosferici che hanno diretta influenza sulle attività umane. La m. è stata la scienza che per prima ha avvicinato i blocchi antagonisti creatisi alla fine della Seconda guerra mondiale, mediante i primi rapporti di cooperazione scientifica tra il mondo occidentale e quello sovietico, già fin dagli anni Cinquanta, e cioè in piena guerra fredda. La necessità di disporre in tempo utile delle osservazioni meteorologiche in ogni parte del mondo fece superare le contrapposizioni di allora e ha portato alla realizzazione del programma WWW (World Weather Watch), che ha permesso per la prima volta di sorvegliare l'intero pianeta con continuità temporale e con sempre maggiore dettaglio spaziale. Il carattere mondiale della m. è ancor più accentuato dall'impossibilità di riprodurre in laboratorio i fenomeni che avvengono nell'atmosfera. Anche i più piccoli fenomeni, come, per es., i temporali isolati, si svolgono infatti in volumi di chilometri cubi con scambi di energie valutabili in migliaia di miliardi di joule (10¹² J) e confrontabili con quelle delle esplosioni nucleari, ma che fortunatamente avvengono a temperature prossime a quella dell'ambiente. Le misurazioni e le osservazioni assumono così un'importanza fondamentale e devono essere fatte in ogni luogo della superficie terrestre, dal suolo sino ad almeno 30 km di quota, con quanta maggior densità spaziale possibile. Oggi si hanno a disposizione metodi di telerilevamento da satellite che consentono di ovviare, fin negli angoli più remoti del pianeta, all'impossibilità pratica di istituire fitte reti di stazioni di osservazione nelle vastissime aree oceaniche e nelle grandi zone desertiche. Allo scopo di mantenere sotto un continuo controllo l'evoluzione dell'atmosfera sono attive decine di satelliti meteorologici (fig. 2) suddivisi nelle due grandi categorie dei satelliti geostazionari (che osservano sempre la stessa porzione di Terra) ed eliosincroni (che sorvolano un dato territorio sempre alla stessa ora solare). Le misurazioni da satellite consentono di sondare volumi di atmosfera un tempo irraggiungibili direttamente dalle sonde da terra, e forniscono la sempre più necessaria continuità di rilevamento delle caratteristiche fisiche dell'atmosfera. La rete mondiale di osservazione è composta oggi di oltre 10.000 stazioni di osservazione sulla superficie terrestre, su boe e su apposite navi meteorologiche e oceanografiche. Le grandezze osservate e misurate continuamente nelle stazioni terrestri sono principalmente la temperatura dell'aria, del suolo e della superficie del mare, la pressione atmosferica, l'umidità dell'aria, l'intensità della radiazione solare, l'intensità e la direzione del vento; inoltre alcune stazioni selezionate compiono misurazioni di grandezze particolari legate al clima e all'ambiente in generale, come la concentrazione di anidride carbonica e lo spessore dello strato di ozono.
Il limite delle previsioni
Gli studi del meteorologo statunitense E.N. Lorenz avevano precisato, alla fine degli anni Settanta, i limiti relativi alla possibilità di prevedere l'evoluzione dell'atmosfera con metodi deterministici. In linea di principio, con le conoscenze attuali non si dovrebbe più parlare di previsioni deterministiche, ma soltanto di metodi deterministici usati per stimare l'evoluzione futura, in quanto è ormai noto dalla teoria del caos dinamico che qualsiasi previsione dell'evoluzione di un sistema complesso come l'atmosfera porta a risultati enunciabili soltanto probabilisticamente. Ciò è vero anche nel caso in cui si supponga che il sistema in esame sia vincolato a evolversi secondo leggi deterministiche e quindi dai risultati univoci. Lo stesso Lorenz, per illustrare la sensibile dipendenza degli eventi meteorologici dalle condizioni iniziali, aveva introdotto il cosiddetto effetto farfalla: il moto dell'aria dovuto al casuale battito delle ali di una farfalla, in un certo istante, può essere una tra le cause di un ciclone tropicale generatosi la settimana successiva a migliaia di chilometri di distanza. Questo significa che ogni stima del futuro, per essere realistica, dev'essere fondata sulle osservazioni del passato recente. Oggi è inoltre chiaro che non si può né conoscere con assoluta certezza lo stato fisico di un sistema complesso né riprodurre con precisione arbitraria la sua evoluzione, neanche con i modelli fisico-matematici più sofisticati. L'impossibilità di conoscere lo stato fisico in ogni punto dell'atmosfera per poterne stimare l'evoluzione futura costituisce tuttora uno dei maggiori limiti per le previsioni meteorologiche, e sino ad alcuni anni fa si è ritenuto che fosse il limite ultimo. Lo sviluppo della modellistica atmosferica attuato attraverso la simulazione matematica dell'atmosfera al computer aveva fatto sperare di poter ottenere previsioni sempre più accurate aumentando la rapidità di calcolo degli elaboratori. Le crescenti esigenze di conoscere e di prevedere in anticipo il verificarsi degli eventi meteorologici hanno fatto sì che negli ultimi anni la m. si sviluppasse, abbracciando anche settori propri di altre discipline scientifiche, tra le quali l'oceanologia, la geofisica della radiazione solare, la climatologia, la glaciologia.
La simulazione dell'atmosfera mediante modelli
È il settore della m. che negli ultimi anni si è maggiormente sviluppato, in quanto ha racchiuso per decenni le speranze di giungere a previsioni sempre più accurate e a lungo termine. Nonostante oggi sia ormai noto che non si possono realizzare modelli 'perfetti' di sistemi complessi come l'atmosfera, lo sviluppo teorico e applicativo della modellistica fisico-matematica ha contribuito in modo notevole ai successi della m. 'operativa', legata alla previsione quotidiana dei fenomeni e quindi di maggior interesse comune. I più sofisticati modelli simulano l'atmosfera mediante una sua suddivisione in oltre cinque milioni di elementi tridimensionali, in ciascuno dei quali vengono risolte le equazioni della fluidodinamica che descrivono l'evoluzione dell'atmosfera. A scala globale viene delineata la dinamica delle onde delle grandezze fisiche dell'atmosfera sino a circa 40 km di lunghezza d'onda, che, confrontati con la circonferenza massima terrestre di 40.000 km, danno un'idea del dettaglio con cui si descrive ormai la fluidodinamica atmosferica. In ciascuno degli elementi in cui si rappresenta suddivisa l'atmosfera vengono simulati i fenomeni più significativi, quali le nubi, le precipitazioni acquee e nevose ecc.
La previsione meteorologica
Con la simulazione quadridimensionale nello spazio e nel tempo della fluidodinamica atmosferica si sono affrontate le previsioni meteorologiche, giungendo però a dover elaborare diverse metodologie in funzione dell'estensione temporale della previsione stessa: le previsioni a brevissimo termine (da 0 a 12 ore), dette anche nowcasting (da now "ora" e forecasting "previsione"), che richiedono di disporre di dati di osservazione dettagliatissimi della zona d'interesse. La principale attività di supporto al nowcasting è fornita quindi dai sistemi di telerilevamento da satellite e dai radar meteorologici (radar in grado di rilevare le dimensioni e il moto delle gocce di pioggia). Il nowcasting si basa sull'osservazione di ciò che accade ora per capire cosa stia succedendo. Per tempi tra le 12 e le 48 ore di stima si hanno le previsioni a breve scadenza, che si basano sulla simulazione mediante modelli fluidodinamici dell'evoluzione dell'atmosfera, supponendo che tale evoluzione abbia un esito unico e determinato. Per tempi superiori ad alcuni giorni si producono le previsioni a una settimana con gli stessi modelli di quelle a breve termine, ma con informazione di partenza globale. In questo intervallo di tempo di previsione si è iniziato a studiare l'efficacia di produrre popolazioni di previsioni ottenute con lo stesso modello di simulazione, ma con dati iniziali leggermente diversi. Si simula l'atmosfera partendo da un numero abbastanza grande (alcune decine) di casi diversi tra loro per quantità inferiori all'errore di misura delle singole osservazioni, soddisfacendo così la condizione probabilistica cui è legata la conoscenza dell'evoluzione di un sistema complesso. Il risultato non è più una previsione certa ma la distribuzione dei possibili 'casi di tempo' connessi e compatibili con la condizione iniziale e con il suo errore di partenza. Questo metodo è detto delle previsioni multiple d'insieme ed è tuttora oggetto di studio, non essendo ancora chiari i legami stocastici tra gli errori iniziali e gli stati finali del sistema atmosfera. I metodi suesposti pongono alla base delle previsioni una o più condizioni iniziali sullo stato di partenza dell'atmosfera, perché si è dimostrato che la conoscenza dello stato iniziale è condizione necessaria per stimare lo stato finale, corrispondente alla previsione. Per le previsioni mensili, stagionali o addirittura annuali, non è possibile tuttavia seguire la logica della sola condizione iniziale, ma si deve tener conto delle variazioni delle grandezze fisiche che sono al contorno dell'atmosfera, principalmente gli oceani, le acque interne e le masse di ghiaccio, poiché gli scambi energetici tra l'atmosfera e l'ambiente che la racchiude mutano se osservati durante intervalli di tempo che vanno dalla settimana in su. Con questi presupposti sono iniziati i primi esperimenti per produrre previsioni stagionali. Ai modelli di atmosfera tradizionali viene accoppiato un modello fluidodinamico dell'idrosfera, la quale, evolvendosi più lentamente dell'atmosfera, sembra essere predicibile per tempi più lunghi e quindi in grado di fornire quelle condizioni al contorno, sotto forma di scambio di calore latente, calore sensibile, evaporazione di masse d'acqua, che consentirebbero di prevedere la dinamica meteorologica per tempi più lunghi di una settimana, pur sempre con carattere probabilistico.
Le previsioni stagionali
Le condizioni al contorno inferiore dell'atmosfera, date da temperatura superficiale degli oceani, umidità del suolo e copertura nevosa, talvolta hanno una memoria molto più lunga di quanto non abbia il tempo meteorologico e quindi, almeno in prima approssimazione, si può prevedere la loro evoluzione su scale di tempo di settimane o anche di mesi. Un fenomeno che, come si è osservato, influenza in modo sensibile lo stato e l'evoluzione della troposfera è il Niño, il riscaldamento anomalo e irregolare della superficie dell'Oceano Pacifico equatoriale, che si è manifestato con carattere quasi periodico (sinora circa ogni dieci anni). Nei mesi successivi alla comparsa del Niño, eventi meteorologici particolarmente intensi si verificano in molte parti del pianeta, a decine di migliaia di chilometri dalla fascia equatoriale. La conoscenza dello stato e dell'evoluzione delle condizioni fisiche presenti al bordo inferiore dell'atmosfera (come, per es., la temperatura superficiale delle acque oceaniche) consente quindi, in linea di principio, di predire, a più lungo termine anche se solo indicativamente, l'evoluzione del tempo e forse anche del clima stesso.
La capacità di prevedere le variazioni della temperatura del mare si è accresciuta moltissimo negli ultimi anni grazie all'enorme quantità di dati raccolti dai satelliti artificiali dedicati alle Scienze della Terra. Per l'oceano sono stati sviluppati modelli fluidodinamici che ne simulano l'evoluzione dinamica e termica, e non solo il moto ondoso come avveniva in passato, in modo concettualmente analogo a quelli usati per l'atmosfera. I nuovi modelli termofluidodinamici dell'oceano ne simulano quindi anche l'evoluzione termica e dinamica. L'evoluzione dei modelli atmosferici e oceanici verso forme sempre più realistiche e sofisticate ha indotto meteorologi e oceanologi a cooperare al fine di produrre modelli di simulazione anche per l'interfase oceano-atmosfera. Si riproducono così al computer anche gli scambi di energia e di massa tra l'atmosfera e l'oceano. Ciò consente, con un meccanismo di retroazione (feedback), di correggere le previsioni dell'evoluzione dei due sistemi, atmosfera e oceano, in modo da fornire a ciascuno le proprie condizioni al contorno in forma più accurata di quanto non sia stato possibile in precedenza. Il risultato di questa cooperazione ha portato alla realizzazione, per la prima volta su basi scientifiche, di previsioni meteorologiche stagionali. Il caso del Niño nel 1997-98 è stato un banco di prova arduo ma significativo per speranze di futuri successi. Il carattere di una previsione stagionale rimane, comunque, sempre di tipo probabilistico.
bibliografia
World Meteorological Association, Annual Report n° 875, Genève 1998.
The Meteorological Office, Scientific and technical review, Bracknell 1998.