Cos’è, e a cosa serve, la micro-meteorologia?

Stazione micro-meteorologica ARPA Lazio in località Tenuta del Cavaliere

Premessa

E’ mattina, molto presto, in una giornata di tarda primavera che si annuncia luminosa e tersa.

L’alba si approssima – puoi coglierne il primo lucore, verso Est. Non è ancora il chiarore distinto dai meravigliosi colori che tra poco si inseguiranno tra cielo e terra, ma, già si lascia distinguere come non-più-notte.

Ascolta. Annusa.

E’ ancora, a tutti gli effetti, buio. I suoni ti arrivano distinti, stagliandosi sul silenzio. E i milioni di fiori dei prati, delle siepi, delle aiuole, ancora non si sono aperti a rilasciare i loro richiami per gli impollinatori.

Corre, intanto, il tempo. Il lucore s’è già mutato in un bagliore distinto, ed i primi fiori si vanno aprendo. Ne noti immediatamente i profumi intensi e diversi, insieme a quello delle innumerevoli foglie.

Luce, infine. Rosa prima, poi gialla, ed infine oro.

Eccola, la nostra stella del mattino, far capolino quasi come fosse incerta dall’orizzonte, e salire, salire.

Pochi minuti, ed inizi ad avvertirne il tepore, mentre una nebbiolina sottile si leva dal suolo a raggiungere un’altezza anche minore di quella di una persona.

I profumi dei fiori, ora quasi tutti aperti, si fanno avvertire quasi con violenza. Lo stesso, purtroppo, vale per le puzze dei gas di scarico delle automobili, e per un’infinità di altri odori.

Si leva, intanto, il Sole. Passa oltre una lontana cortina di nubi, basse sull’orizzonte, ed il suo calore ormai non riguarda più soltanto il tuo corpo, ma anche il suolo stesso, l’erba, gli alberi, le creature tutte…

Che strano: così tanta attività, ma i profumi cominciano a farsi meno distinti.

L’aria ti appare ferma, ma evidentemente non lo è, a giudicare dall’oscillare delle foglie. Di tanto in tanto, queste se ne stanno quiete. Ma poi, improvvisamente, paiono prender vita – pochi secondi, e all’inizio un movimento appena avvertibile. Per poi tornar ferme, per un altro lungo momento.

Di tanto in tanto, ti pare d’avvertire sulla pelle una lieve carezza, quando una delle sottili raffiche che fanno muovere le foglie, più fortunata delle altre, raggiunge il suolo.

Tutti questi fenomeni, credo assolutamente familiari (e meravigliosi), sono dovuti ad un cambiamento importante nella struttura stessa della bassa atmosfera. Di notte, la Terra irraggia energia, e raffredda l’aria soprastante che si stratifica spontaneamente con l’aria più fredda in basso (fenomeni che gli esperti chiamano “inversione termica con base al suolo”). Di giorno, invece, il suolo è riscaldato dal Sole, e scalda per contatto l’aria immediatamente al di sopra di esso, inducendovi un intenso rimescolamento.

Mentre accadono tutti questi cambiamenti, facili da avvertire anche nelle giornate meno sensorialmente favorevoli, occorre un fenomeno invisibile: l’atmosfera a ridosso del suolo, dalla superficie della Terra ad una quota che di notte si può quantificare in decine di metri, e nelle belle giornate assolate può raggiungere, alle nostre latitudini, una quota di uno o due chilometri, va incontro a profonde trasformazioni. Da uno stato iniziale, notturno, di moti principalmente paralleli alla superficie del suolo, evolve verso un coacervo caotico di vortici e termiche, salite e discese.

La crescita di spessore di questa parte di troposfera, chiamata “Strato Limite Planetario” (ed abbreviata in PBL, acronimo di Planetary Boundary Layer), rende conto della apparente riduzione d’intensità dei profumi vegetali, che avremo notato infinite volte. La ragione che sta dietro, sorprendente, è che la maggior parte delle sostanze rilasciate all’interno del PBL vi rimane per così dire intrappolata – solo una minima frazione riesce a sfuggire. Ma, più alto lo spessore, maggiore il volume disponibile per questo rimescolamento, e, di conseguenza, per la diluizione: la concentrazione di sostanze odorose, nel passare dello spessore del PBL da 10m a 1000m, diminuisce di 100 volte, talvolta sino a superare, verso il basso, la nostra soglia di percezione olfattiva.

La micro-meteorologia: lo studio dello Strato Limite Planetario

La (giovane) scienza che studia l’evoluzione nel tempo e la struttura dello Strato Limite Planetario si chiama “micro-meteorologia”.

Il nome, lo ammetto, è un po’ infelice: nulla, della micro-meteorologia, richiama alla mente quei fenomeni a scala regionale o sinottica tanto cari ai meteorologi: non previsioni del tempo, non movimenti di grandi masse d’aria…

Se mai, la misura dettagliata del flusso dell’aria al di sopra ed attorno alle irregolarità della superficie terrestre. Oppure, i flussi di energia e di “nutrienti” (acqua, anidride carbonica) tra superficie del suolo ed atmosfera.

A rivelare una strettissima parentela con la fluidodinamica, l’ecologia degli ecosistemi, la geomorfologia, oltre che con la meteorologia tradizionale..

La stessa scala temporale, nel caso della micro-meteorologia, ha un’estensione ben diversa da quella della meteorologia e della climatologia “tradizionali”. I fenomeni a micro-scala, infatti, si svolgono su tempi che possono andare da un’ora, giù giù, sino ai millesimi di secondo, ed anche meno. Quando, invece, i tempi dei fenomeni meteorologici vanno da un’ora, in su, sino ai milioni di anni (i continenti, spostandosi rispetto all’asse terrestre, contribuiscono a creare un ambiente che induce climi sempre differenti, grazie all’interferenza che le masse di terraferma esercitano nei confronti della circolazione delle acque oceaniche e dell’atmosfera).

Una grandissima importanza pratica

Prima di tutto, mi permetto una constatazione. Noi esseri umani, insieme alla maggior parte delle altre creature viventi in ambiente “subaereo”, passiamo la nostra vita all’interno dello Strato Limite Planetario.

Ed è proprio qui, nel PBL, che rilasciamo inquinanti di vario genere, e che (però) respiriamo.

E’ nel PBL che si disperdono spore ed animali di piccola taglia. E’ sempre nel PBL che l’intenso rimescolamento rimuove l’ossigeno, prodotto estremamente tossico di scarto della fotosintesi clorofilliana, dalla superficie delle foglie, portandone la giusta parte ai nostri polmoni – se ciò non accadesse, la fotosintesi si invertirebbe in “fotorespirazione”, causando in poche ore la morte delle piante verdi e, nel giro di qualche giorno, la fine di tutti i viventi di grandi dimensioni, noi umani inclusi.

Possiamo dire, così, che la conoscenza di dettaglio del PBL ha un grandissimo valore pratico.

Tanto in termini di spiegazione, che predittivi.

Il tratto distintivo del PBL

Possiamo dire che, rispetto alla troposfera non direttamente influenzata dalla superficie terrestre, il PBL è sede di fenomeni di trasporto a distanza, diffusione, e ricaduta al suolo (nel caso di polveri, spore, animali di piccola taglia).

Il trasporto a distanza è dovuto al vento “medio”, che nel PBL può però assumere valori talmente bassi da sfuggire all’attenzione degli anemometri a coppe e banderuola (evento che i meteorologi considerano piuttosto poco interessante, e che chiamano “calma di vento”; in micro-meteorologia, il vento medio è tanto più interessante, quanto minore la sua forza).

La diffusione, ed in certa misura la ricaduta al suolo, sono invece conseguenze dell’agitazione turbolenta dell’aria. Durante il dì, questa agitazione può essere davvero intensa, grazie al contributo ingente dell’energia termica solare, mentre di notte assume un andamento più “calmo”, con la stratificazione dell’atmosfera dal caldo al freddo salendo di quota che si oppone al moto verticale dell’aria.

Turbolenza, però, nei pressi del suolo ce n’è sempre, e comunque. Possiamo così dire che questo, la presenza di fluttuazioni turbolente, è il tratto distintivo del PBL.

Turbolenza, e, quindi, rimescolamento, diluizione.

Strumenti e tecniche particolari

Conoscere, di questi tempi, vuol dire prima di tutto misurare.

Nel caso della micro-meteorologia, gli strumenti utilizzati si differenziano da quelli normalmente impiegati in meteorologia, ed hanno un carattere da un certo punto di vista maggiormente sofisticato.

Un esempio di strumento usato per l’osservazione del PBL è l’anemometro ultrasonico  triassiale, di cui vediamo un esempio nella figura qui di seguito.

Anemometro ultrasonico uSonic-3 Scientific (cortesia Metek GmbH)

La differenza nell’approccio strumentale è motivata da una necessità particolare: in micro-meteorologia, ad interessare non sono soltanto le grandezze “medie”, ma anche le fluttuazioni turbolente.

E misurare le fluttuazioni richiede strumenti capaci di campionare i valori istantanei ad un rateo che può tranquillamente superare le 40 misure per secondo.

La massa di dati che ne deriva, enormemente maggiore di quella che si potrebbe raccogliere usando, ad esempio, un anemometro a coppe e banderuola, richiede poi tecniche di archiviazione e calcolo particolari per ottenere un numero limitato di valori di sintesi che siano facili da inviare e, soprattutto, comunicare.

Nel caso degli anemometri ultrasonici, un esempio di tecnica di calcolo molto utilizzata è la eddy-covariance, che permette di determinare i flussi turbolenti (e non) di calore, oltre che (collegando l’anemometro ultrasonico ad un opportuno sensore veloce di concentrazione di vapore acqueo e anidride carbonica) di acqua e nutrienti.

Vale la pena di osservare che, oltre alla capacità di misurare direttamente la turbolenza, gli anemometri ultrasonici tra-assiali sono anche anemometri estremamente accurati, e totalmente immuni al fenomeno fastidioso delle “calme di vento”, che calme in realtà non sono (vento ce n’è infatti sempre), ma piuttosto episodi con vento talmente debole, o variabile, da non riuscire nemmeno a contrastare l’attrito dei cuscinetti a sfere degli anemometri meccanici; situazioni di “calma di vento” sono molto comuni in certe località (la Pianura Padana è un esempio classico), ed il considerarle brutalmente casi di non-vento non fa un buon servizio.

Sistema SODAR/RASS in funzione presso il depuratore di Pero (Cortesia Amiacque / AMSA)

Un altro carattere rilevante nella micro-meteorologia è che la variazione del flusso di aria, della temperatura e delle grandezze meteorologiche lungo la verticale è interessante nel dettaglio. Concetti come le spirali di Edman, familiari nella meteorologia sinottica, in micro-meteorologia hanno un’importanza limitata: si preferisce misurare, dal momento che ciò che accade all’interno dello Strato Limite Planetario è imprevedibile – se desideriamo apprezzarne le variazioni più minute.

Nella figura che precede vediamo un esempio di stazione SODAR/RASS, che misura vento e temperatura sino ad una quota che può raggiungere i 700 metri.

La massima quota di misura si estende ben oltre la quota tipica di equilibrio dei fumi rilasciati dalle più tipiche sorgenti di inquinamento.

In conclusione

Abbiamo veduto che la micro-meteorologia è un argomento di grande interesse pratico, che meriterebbe una grande attenzione da parte dell’opinione pubblica e della politica, ed un peso di investimenti proporzionale.

Ma prima di procedere, magari preferisci saperne di più.

Libri di micro-meteorologia non ne mancano, ma sono quasi tutti in Inglese, in linea con il cronico ritardo italiano in fatto di cultura scientifica.

Un testo italiano, però, c’è:

    R. Sozzi, T. Georgiadis, M. Valentini, “Introduzione alla Turbolenza Atmosferica – Concetti, stime, misure”

Un tempo edito e distribuito (dal 2002) da Pitagora Editrice, il testo è ormai da anni fuori catalogo, ma ne esiste una versione PDF scaricabile dal sito di ARPA Lazio.

Avverto, che questo libro è di taglio molto avanzato, e non adatto per chi non ne sappia nulla.

Un testo introduttivo è:

    P. Arya, “Introduction to Micrometeorology”, 2nd ed., Elsevier, 2001

Cenni sulla micro-meteorologia si trovano inoltre in testi di meteorologia generale, che talvolta dedicano un capitolo alle dinamiche dello Strato Limite Planetario. Sono descrizioni di regola molto succinte, poco più che “bigini”, utili per impadronirsi di un po’ di terminologia.

Se, poi, avrai la pazienza di continuare a frequentare questo blog, sappi, che di micro-meteorologia non smetterò certo di dire.

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *