Didattica: struttura dell'atmosfera e principali masse d'aria

1. Aria polare, delle medie latitudini e tropicale: caratteristiche e proprietà  

Le proprietà di una massa d'aria dipendono in gran parte dalla radiazione solare e dallo scambio di calore ed umidità con la sottostante superficie terrestre. In base a ciò, si possono distinguere masse d'aria con proprietà tipiche, connesse alla regione geografica di origine, "regione sorgente" a condizione che esse abbiano sostato sufficientemente a lungo su tale area, tanto da averne assunto le proprietà caratteristiche.

Tali classificazioni, che in genere riguardano l'emisfero settentrionale, sono state dedotte principalmente dalle analisi sinottiche in superficie e quindi risentono sensibilmente della distribuzione di pressione in superficie e dei modelli di flusso degli strati più bassi dell'atmosfera. Le più recenti conoscenze della struttura verticale dell’atmosfera, con i forti "windshear" verticali, le notevoli variazioni di direzione del vento con la quota etc., suggeriscono che in una determinata colonna atmosferica, ai diversi livelli, l'aria possa provenire da regioni geografiche con caratteristiche molto diverse.

Per quanto sopra, ed in considerazione del fatto che l'influenza della superficie terrestre si può manifestare a varie quote, risulta difficoltoso dedurre classificazioni delle masse d'aria semplicemente in base alle "regioni sorgenti"ed ai successivi percorsi. Allo scopo di delineare un quadro molto sintetico delle configurazioni essenziali che caratterizzano l'atmosfera a livello emisferico, sembra conveniente suddividere le masse d'aria in tre classi principali: aria tropicale (AT), aria delle medie latitudini (AML)e l’aria polare (AP).

Le regioni sorgenti dell' AT sono le zone degli alisei di entrambi gli emisferi, limitate verso il polo dalla fascia delle alte subtropicali. Le regioni sorgenti dell' AP sono le regioni artiche e subartiche dell'emisfero nord e quelle antartiche e sub-antartiche dell'emisfero sud. L'estensione verso l'equatore di queste regioni sorgenti di masse d'aria non è ben delineata e subisce delle variazioni stagionali. Di conseguenza, non risultano ben definite le regioni sorgenti di AML, in quanto sottoposte a forti variazioni meridiane nel soleggiamento e nelle influenze termiche da parte della superficie della terra e da grandi variazioni longitudinali per i contrasti termici tra i continenti e gli oceani. Il fronte polare, nella teoria originale, veniva considerato il confine tra l'AP e l'AT (o la subtropicale), per cui la sua posizione sulle carte sinottiche indicava l'estensione di quest'ultima verso il polo. Solo la scoperta di una circolazione tropicale relativamente chiusa del tipo di Hadlev e di una circolazione contraria extratropicale del tipo di Ferrel e dell'esistenza di due correnti a getto principali in entrambi gli emisferi e delle corrispondenti.

La distinzione tra AT e AML non è sempre evidente negli strati più bassi dell'atmosfera ove, a causa della divergenza, non esiste un limite ben distinto tra la cellula di Hadley e quella di Ferret, ma appare naturale nella media ed alta troposfera, ove esiste tra le due cellule una zona di convergenza meridionale. Contrasto tra AML ed AP dovrebbe invece essere distinguibile negli strati medio bassi della troposfera, nella zona di convergenza meridionale esistente tra la cellula di Ferrel e quella Polare. 

Dunque l'AML è più facilmente individuabile negli strati medio-alti della troposfera, dove "serpeggiano" le caratteristiche correnti occidentali. Queste ultime non risentono dell'influenza delle condizioni tropicali, se non in parte, e dunque non possono essere considerate composte di aria tropicale. Tuttavia, regolari inserimenti di AT si manifestano nella parte occidentale delle alte pressioni subtropicali, dove l’AT dei bassi livelli si muove verso il polo come una corrente ascendente, finchè non raggiunge l'equilibrio termico con le correnti occidentali della media e alta troposfera, caratteristiche della zona temperata. Viceversa, l' AML ridiscende sul bordo sud-orientale degli anticicloni subtropicali, portandosi verso i livelli più bassi.

Questo meccanismo rappresenta una regolare trasformazione di AT in AML. Per questo motivo si ritiene più corretto considerare la massa d'aria più meridionale del fronte polare, come una massa.

Alle medie latitudini gli strati più bassi dell'atmosfera sono soggetti a frequenti incursioni di AT verso il polo e di AP verso l'equatore. Malgrado le  modificazioni dovute agli scambi di energia con la superficie sottostante ed ai moti verticali, tali masse d'aria mantengono in gran parte le proprietà caratteristiche della loro regione d'origine. Tuttavia,a causa dell'influenza del gradiente meridiano di temperatura sulla variazione del vento con la quota, le traiettorie che, nei bassi livelli sono direttamente collegate alle regioni sorgenti tropicali e polari, alle quote più alte confluiscono in seno alle correnti occidentali. In tal modo, un sondaggio effettuato alle medie latitudini, può rilevare AT o AP nella bassa troposfera e AML, rimasta più a lungo sulla zona, nella troposfera superiore. Per quanto visto, ogni classificazione delle masse d'aria contiene necessariamente una certa indeterminazione; d'altra parte, dall'esperienza.

In pieno accordo con i principi fin qui delineati risulta la classificazione delle principali masse d'aria elaborata da Defant e Taba negli anni cinquanta. Questi studiosi, in base ai sondaggi effettuati a tempi sinottici scelti opportunamente in relazione ad analisi ricche di fronti, correnti a getto e tropopause.

In esso, il fronte polare è associato ad un getto nell'alta troposfera e ad una interruzione nella tropopausa. Il getto associato al fronte polare e la struttura della tropopausa nelle sue vicinanze caratterizzano il confine delle masse d'aria (AP e AML) in questi alti livelli. Nella media troposfera il confine tra masse d'aria è individuato dalla pronunciata baroclinicità propria del fronte polare, mentre in superficie è solitamente ben individuato da tutti gli elementi che caratterizzano il fronte polare a tale livello: variazione brusca nella direzione del vento, variazioni dell'andamento della pressione nel tempo, fenomeni ecc.. Negli strati più bassi della troposfera, tuttavia, l'influenza termica della superficie terrestre modifica spesso le condizioni dell'aria polare, in modo che la temperatura di quest'ultima non può più essere considerata caratteristica delle regioni sorgenti.

La frattura della tropopausa subtropicale ed il getto subtropicale individuano invece il confine tra AML ed AT. Mentre la baroclinicità del fronte polare nella media troposfera, che definisce il confine tra masse d'aria a questi livelli, risulta meno evidente se si media il campo della temperatura rispetto allo spazio e al tempo, la frattura della tropopausa subtropicale, apparendo a latitudini relativamente costanti, è distinguibile anche in sezioni mediate.

Al di sotto del livello del getto subtropicale, il confine di massa d'aria è rappresentato dalla zona baroclina del fronte subtropicale.Tale fronte è individuabile solamente in quota e quindi nella troposfera medio-bassa non risulta determinato alcun chiaro confine di massa d'aria, in accordo al fatto che a queste latitudini prevale, nei bassi livelli, l'azione frontolitica della divergenza.

2. Caratteristiche dell'aria artica

La classificazione delle principali masse d'aria delineate nel paragrafo precedente costituisce uno schema efficace ma molto semplificato, che volutamente non include distinzioni più particolareggiate che pure possono essere considerate. Ad esempio, su molte zone della terra possono essere distinte masse d'aria continentali da quelle marittime. Tra queste possono essere individuati, nella bassa troposfera, veri e propri fronti che tendono a svanire nei livelli medi e alti.
Particolare attenzione merita la massa d'aria artica, separata dall'aria polare dal cosiddetto fronte artico. La sottoclassificazione dell'AP in aria artica e aria polare vera e propria fu originariamente proposta da Bergeron (1928). Con riferimento all'emisfero nord, il fronte artico è spesso ben distinguibile su certe regioni delle alte latitudini, specie durante la stagione più fredda, apparendo tuttavia come confine di massa d'aria solamente alle quote più basse ove è fortemente influenzato dalla distribuzione della copertura della neve sui continenti e dalla estensione della copertura dei ghiacci sull'oceano artico. Per tale motivo risulta di frequente difficile distinguere l'aria di vera origine artica dalla spesso ugualmente fredda, se non più fredda, aria "continentale polare" che si origina a latitudini più basse (ad esempio sul continente euroasiatico durante la stagione invernale). Nelle parti più alte della troposfera è poi pressochè impossibile mantenere la distinzione tra aria artica e polare, in quanto a tali livelli normalmente l'aria polare è proprio fredda quanto l'aria artica.

 3. Struttura dell'atmosfera

Con riferimento alla classificazione delle principali masse d'aria delineata nei paragrafi precedenti, nonchè ai sistemi caratteristici dell'atmosfera cui si è fatto cenno, è possibile costruire uno schema della struttura dell'atmosfera nei suoi primi 20.000 metri di spessore.

Tale schema, molto semplificato, si riferisce all'emisfero settentrionale, dal polo nord all'equatore, ed è applicabile alla struttura atmosferica nella stagione fredda, quando tutte le configurazioni sono ben pronunciate. In accordo con quanto sopra esposto, la troposfera risulta divisa in tre differenti masse d'aria: AT, AML, AP. Viene posta in risalto anche la possibile suddivisione dell' AP in aria artica e polare vera e propria, con il fronte artico come elemento di separazione. Tale fronte, individuabile solamente nei bassi strati, è disegnato con linee tratteggiate, per indicare che è un sistema non sempre presente nella troposfera.

L'AP risulta limitata verso sud dal fronte polare e dal getto polare, posizionato nella frattura tra la tropopausa polare e quella delle medie latitudini. Il fronte polare negli strati più bassi e in quelli più alti è disegnato con linea tratteggiata per indicare che in questi livelli sono possibili scambi di massa d'aria fra differenti regioni sorgenti, dovuti ai cicloni a scala sinottica che contribuiscono in modo sostanziale al trasferimento meridiano di energia. Il fronte subtropicale, con il getto subtropicale nella frattura tra tropopausa delle medie latitudini e la tropopausa tropicale, divide negli strati medio-alti l'AML dall'AT. Tale fronte è disegnato con linea tratteggiata, in quanto appare solo in certe regioni, mentre in altre risulta mal definito o del tutto assente. Al fronte subtropicale che giace su una regione in cui prevale divergenza nei bassi strati, non corrispondono, il più delle volte, caratteristiche di tempo quali quelle associate al fronte polare,del quale peraltro è geograficamente più permanente, in quanto legato ad un getto molto stabile in latitudine. Nella regione tropicale, oltre alla tropopausa principale è messa in evidenza, ad una quota più bassa, una tropopausa secondaria; quest'ultima corrisponde al livello nel quale si può trovare generalmente un pronunciato aumento della stabilità verticale ed il massimo della velocità meridiana nella cellula di Hadley.

Nello schema soprastante le posizioni dei fronti e delle correnti a getto rappresentano la latitudine media di questi sistemi nella stagione più fredda. In particolare la latitudine del fronte polare varia notevolmente con la longitudine e nel tempo; per questo motivo tale sistema non può essere riconosciuto in sezioni meridiane, costruite facendo le medie lungo interi cerchi di latitudine. Lo schema è valido in situazioni sinottiche nelle quali i moti dell'aria sono prevalentemente zonali. Nei casi di interruzione del moto zonale con formazione di profondi cicloni freddi alle basse latitudini e anticicloni caldi alle alte latitudini, il modello termico e di flusso si discosta notevolmente dallo schema. Nei casi estremi di circolazione a basso indice, infatti, una sezione meridiana può mostrare l'esistenza di due getti polari occidentali a ben distinte latitudini, ed un getto orientale tra essi.

Si ringrazia il sito www.meteorologia.it

BIBLIOGRAFIA  

BRUNETTI-CACCIOLA  Riv. Meteorologia Aeronautica A.56 N1-2 

F. AFFRONTI  Atmosfera e Meteorologia  Sommario storico scientifico. Dai miti del passato alle prospettive del futuro - S.T E.M., Mucchi, Modena.

B'J'GARNIER ~ Compendium of lecture notes in climatology for class III and class IV personnel - WMO No 726 (1992).

E. PALMEN, C.W. NEWTON – Atmospheric Circulation Systems - Their Structure and Physical Interpretation, International Geophysics Series (1969)

E.R. REITER - Le correnti a getto) - Zanichelli,Bologna, ( 1969)

(1) T. Bergeron, studioso tedesco, neI 1928 elaborò una "classificazione geografica" delle masse d' aria, distinguendole in quattro tipi fondamentali (artica, temperata, tropicale, equatoriale) ed in sottotipi, in base alle regioni di origine (mari, continenti).

(2) G. Schinze, studioso tedesco, condusse interessanti ricerche, sostenute da ampie indagini statistiche nel periodo dal 1932 all'inizio della seconda guerra mondiale, determinando le caratteristiche medie delle principali masse d'aria nei vari mesi dell' anno sull' Europa centrale.

(3)  S. Petterssen era nato a Hadsel neI 1898; dopo la laurea intraprese la carriera di meteorologo, lavorando prima a Bergen, poi a Tromsoe e, neI 1931,di nuovo a Bergen, dove diresse il Centro di previsioni meteorologiche. NeI 1939 assunse la presidenza della Commissione di meteorologia marittima in seno all'OMI. Durante il secondo conflitto mondiale, assunto il grado di Ten. Colonnello delle forze aeree norvegesi, svolse una parte di primo piano in occasione dello sbarco alleato in Normandia. Morì il 31 dicembre del 1974.