Il meteoincasa
Rubrica curata da Graziano Locci
La Pressione Atmosferica
INDICE
- L'atmosfera
- La pressione atmosferica
- Calcolo della pressione media al livello del mare
- Riduzione della pressione al livello del mare (QFF)
- I Barometri
1 L'ATMOSFERA
Per
Atmosfera s'intende la massa d'aria che circonda il nostro
pianeta, e che solidale con esso, compie i moti di rotazione
e rivoluzione.La forza di gravita' li tiene uniti..La
composizione dell'aria secca , in % v/v e' costante ed e' la
seguente:
N2 =78,084% O2=20,946% Ar=0,93% CO2=0,033% He=0,0052% Ne=0,0018%
Un discorso a parte meritano i componenti variabili che sono:
Vapore acqueo. La sua presenza in aria e' molto variabile , difatti con Pressione = 1013,25 hPa e Temperatura di -10 gradi C abbiamo un valore di 0.26% , mentre con Pressione = 1013.25 hPa e Temperatura di 30 gradi C si sale ad un valore di 4.17 %.Come si vede la presenza di vapore acqueo nell'aria dipende fortemente dalla Temperatura e cresce esponenzialmente con essa a causa della sua tensione di vapore che e' sempre funzione di T.
CO2
CH4 0.7 ppm nel 1850 e 1.7 ppm nel 1985 (fonte ENEA)
Inoltre bisogna ricordare che nell'aria e' presente il pulviscolo atmosferico , costituito da NaCl , C, e polveri,che riveste particolare importanza nello sviluppo di molti fenomeni meteorologici.
2 LA PRESSIONE ATMOSFERICA
E' una grandezza
significativa dell'Atmosfera fino ad esserne forse la piu'
rappresentativa.Essa e' la forza,riferita all'unita' di
superficie,che l'aria esercita in ogni punto dell'Atmosfera
o della superficie terrestre.Ad ogni quota,essa e' uguale
al
peso della colonna d'aria di sezione unitaria, che si
estende verticalmente da quel punto fino al limite estremo
dell'Atmosfera.La Pressione Atmosferica, a causa
dell'elasticita' e scorrevolezza dei fluidi, si trasmette in
modo omogeneo in tutte le direzioni.(legge di Pascal
1626-1666).
E' cosi' che
controbilancia il peso del mercurio della colonna
barometrica,ed impedisce di cadere all'acqua di un bicchiere
rovesciato, coperto da un foglio di carta.Geometricamente
parlando lo spessore dell'Atmosfera e' molto piccolo rispetto
al diametro terrestre.Il 95% della massa atmosferica si
trova concentrata nei primi 20 Km di altitudine , e il 99,9%
nei primi 50 Km , contro il diametro terrestre che conta
12700 Km.La massa dell'atmosfera e' una quantita' finita
percio' le immissioni in essa di CO2 derivante dalla
combustione dei combustibili fossili ,portano ad una
concentrazione sempre maggiore , qualora essa non venga
assorbita fisicamente o chimicamente dagli
Oceani,mari,fotosintesi clorofilliana...etc).La CO2 , il
Vapor acqueo ed altri gas in misura minore , contribuiscono
a quel fenomeno conosciuto come 'Effetto Serra' fondamentale
per la vita sulla Terra, poiche' questo fenomeno di cattura
di energia solare permette alla temperatura del nostro
pianeta di essere mediamente di 15 gradi C,al contrario la
temperatura della Terra sarebbe di 30 gradi C piu' bassa.
3 CALCOLO DELLA PRESSIONE MEDIA AL LIVELLO DEL MARE
Nel sistema di unita'
di misura M.K.S (metro,Kgmassa,secondo),oggi in uso, la
pressione atmosferica si misura in Pascal
Poiche' il Pascal e' un valore molto piccolo si usa , in pratica un suo multiplo l'hPa , che numericamente e' uguale alla 'vecchia' unita' di misura della pressione , il millibar (mb).
La formula per il calcolo della pressione e' la seguente P=@ * g * h in cui @ e' la densita' della colonna d'aria,di sezione unitaria, dal punto di misura della sommita' dell'atmosfera. La densita' e' molto difficile da determinare a causa dei continui afflussi e deflussi d'aria nella colonna alle varie altezze e per le continue variazioni di temperatura.Questo problema viene risolto misurando la pressione della colonna di Hg che controbilancia la pressione in oggetto.
g = accelerazione di gravita' alla latitudine e altitudine di misura h = altezza della colonna di Hg (misurabile) che la controbilancia Poiche' l'altezza della colonna barometrica che controbilancia la pressione media al MSL a 0°C e 45° 32' 40" e' 0,76 m ne consegue che P = @*g*0,76 = 13595,1* 9,80665 * 0,76 = 101325 = 101,325 Pa = 1013,25 hPa
VALORI DI CONVERSIONE DELLE VARIE UNITA' DI MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA.
| hPa = mb | Atmosfera | Torr (mm di Hg) | Inch | |
| hPa | 1 | 1/1013,25=0,0009869 | 760/1013,25=0,75006 | 29,92/1013,25=0,029529 |
| Atm | 1013,25 | 1 | 760 | 760/25,4=29,9213 |
| Torr | 1,33322 | 1/760=0,0013158 | 1 | 1/25,4=0,03937 |
| Inch | 1,33322*25,4=33,86379 | 1/29,9213=0,03342 | 25,4 | 1 |
3.1 ALCUNE DEFINIZIONI DI PRESSIONI E ALTEZZE NEL CODICE 'Q'
QFE : pressione atmosferica assoluta corrispondente al livello della pista.
QFF : pressione atmosferica ridotta al livello del mare (MSL) considerando l'atmosfera reale.
QNH : pressione atmosferica ridotta al livello del mare (SLM) considerando l'atmosfera standard.
QNE : altezza che intercorre in atmosfera standard tra la pressione atmosferica di un certo luogo e quella dello standard di 1013,25 hPa.
L' atmosfera standard (Tipo I.C.A.O) si fonda sulle seguenti ipotesi:
-1- Pressione atmosferica al MSL = 1013,25 hPa -2- Temperatura al MSL = 15 C -3- Quota della Tropopausa = 11000 metri -4- Gradiente termico verticale = 0,65°C -5- Aria secca
Da tali considerazioni risulta che a parita' del QFE=QNH abs.,si avra':
per temperature di capannina < 15°C : QNH < QFF per temperature di capannina > 15°C : QNH > QFF
3.2 MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA E RIPORTO AL LIVELLO DEL MARE (M.S.L)
La pressione atmosferica essendo un valore puntuale,variabile nel tempo e nello spazio, deve avere degli orari di rilevamento ed un riporto topografico uguale per tutti, per poter essere comparato ed usato per elaborare le carte sinottiche della situazione al suolo.A tale proposito il tempo standard e' quello di Greenwich,indicato nelle carte con UTC (Universal Time Coordinated) od anche tempo Z (Zulu).Gli orari stabiliti per le osservazioni sono i seguenti:
00.00 12.00 utc ore di osservazione sinottica di base
00.00 06.00 12.00 18.00 utc ore di osservazioni sinottiche principali
03.00 09.00 15.00 21.00 utc ore di osservazioni sinottiche intermedie
Le osservazioni dei vari parametri meteo delle stazioni di rilevamento del WMO (World Meteorological Organization) vengono eseguite nei 15 minuti precedenti l'orario standard, mentre la lettura della Pressione Atmosferica avviene esattamente all'ora standar stabilita.La misura viene eseguita con un barometro a mercurio (Hg) da stazione, ' a scala compensata ' , o ' da taratura ' (usato cioe' per tarare altri barometri).La pressione rilevata da questi particolari strumenti e' migliore di +- 0,2 hPa intorno ai 1000 hPa ,e di +- 0,3 hPa per qualsiasi altro valore.Per individuare il campo barico e' , come abbiamo gia' accennato , necessario effettuare le misure della pressione nello stesso istante e alle stesse condizioni per tutte le stazioni di rilevamento , e cioe' a Temperatura di 0°C , Latitudine 45°,32',40" e con riporto altimetro al livello del mare. A seconda del metodo usato per effettuare questo riporto altimetrico al livello del mare , si avra' il QFF , se tale riporto viene fatto secondo i parametri dell'atmosfera reale (formula di Laplace) oppure il QNH se tale riporto viene calcolato con la formula della fluodinamica.
3.3 ESECUZIONE DELLA MISURA DELLA PRESSIONE (QFE)
Operazioni da eseguire:
-1- Lettura del Termometro annesso al Barometro (formisce la temperatura del Hg del pozzetto e della canna barometrica .
-2- Lettura dell'altezza della colonna barometrica (uso del nonio per determinare i decimi di hPa)
-3- Eliminazione dell'eventuale errore strumentale (dato fornito dalla casa costruttrice dell'apparecchio)
-4- Riduzione dell'altezza della colonna barometrica a 0°C mediante tabelle.
-5- Effettuare correzione gravimetrica (se la stazione si trova a latitudine < 45,32',40" si togliera' un valore a seconda di tabelle determinate) (se la stazione si trova a latitudine > 45°,32',40" il valore tabellare dovra' essere sommato)
Il valore ottenuto sara' il QFE (pressione atmosferica assoluta al livello del pozzetto del barometro, a 0°C e latitudine di 45°,32',40" , secondo cioe' l' Atmosfera Reale
4 RIDUZIONE DELLA PRESSIONE AL LIVELLO DEL MARE (QFF)
Per fare questa operazione si usa la formula ipsometrica di Laplace:
dove Tm = temperatura media della colonna d'aria della stazione di rilevamento al mare secondo l'atmosfera reale cioe':
Z = altitudine geometrica del livello del pozzetto del barometro
P° = QFF
P = QFE
Il QFF e' il valore di pressione con il quale vengono tracciate le isobare delle carte al suolo, quelle carte cioe' , che sono mostrate nelle varie trasmissioni televisive di previsioni del tempo.
5 I BAROMETRI
5.1 BAROMETRI A MERCURIO (Hg)
Generalita' e Caratteristiche
Il mercurio e' l'unico metallo liquido con
caratteristiche particolari che sembrano fatte apposta per
misurare la pressione atmosferica. Le principali di queste
sono:
-1- La densita' molto alta , che con un altezza di 760 mm permette di equilibrare a 0°C e al livello del mare (MSL) , la pressione di 1013,25 hPa.
-2- La non bagnabilita' delle pareti di vetro della canna barometrica.
-3- La bassissima tensione di vapore alla Temperatura ordinaria (0,0169 hPa a 50°C)
-4- La facilita' di poterlo ottenere puro (per distillazione).
-5- La costanza del coefficiente di dilatazione al variare della temperatura nel campo di misura.
-6- In cima alla canna barometrica il Mercurio forma un menisco convesso ben definito, che facilita la lettura del Barometro.
5.2 BAROMETRO DI FORTIN
E' costituito da un pozzetto, una canna, una
scala con nonio e da un termometro annesso.Il pozzetto e' di
vetro ma ha come fondo una borsa di pelle di camoscio che
permette l'azzeramento dello strumento.Per questo nella
parte alta dello strumento e' fissato una cuspide d'avorio
con la punta rivolta verso il basso .Per effettuare l'
azzeramento , con una vite sotto il pozzetto si porta il
livello del Mercurio a sfiorare la punta della cuspide:In
questo modo il livello del pozzetto coincide con lo zero
della scala e l'operazione di azzeramento e' conclusa.Questa
operazione va eseguite tutte le volte ,prima di effettuare
una lettura.Eseguita poi la lettura dell'altezza della
colonna barometrica (in mm , hPa o mb) si passa poi ad
eseguire le operazioni di compensazione della lettura e
riporto al livello del mare (come descritto nel paragrafo
dedicato alla pressione atmosferica).
5.3 BAROMETRO A POZZETTO FISSO ( BAROMETRO DA STAZIONE )
Questo barometro noto come 'barometro a scala compensata' e' il 'principe' per la misura della pressione atmosferica, ed e' quello usato nelle stazioni meteo , e nei laboratori di Fisica e di Chimica, nonche' per tarare gli altri tipi di barometri.(In realta' questi ultimi sono chiamati 'da taratura' ed hanno il pozzetto di diametro maggiore rispetto a quelli da stazione).Il barometro da 'stazione' ha un rapporto tra le sezioni della canna e del pozzetto di 1/40 o 1/50 , cioe' ad 1 cm2 della canna barometrica corrispondono 40 o 50 cm2 di sezione del pozzetto.Questi barometri per le operazioni di lettura e correzione , sono identici al 'Fortin' ma hanno il vantaggio di non avere bisogno dell'azzeramento prima della misura.Tale vantaggio e' dovuto alla scala graduata che e' gia' stata compensata : cioe' la scala nella quale scorre il nonio e viene fatta la lettura, non ha le incisioni alla distanza di 1 mm , bensi' a quella di (1-C/P) , in cui C e P sono le sezioni della canna e quella del pozzetto.
5.4 BAROMETRO A MERCURIO DEL COMMERCIO
Questi strumenti hanno un diametro interno
della canna di circa 3-4 mm e del pozzetto di 12-20 mm ,
corrispondenti a rapporti tra le sezioni di 1/16 o 1/25.Tali
rapporti sono troppo grandi, per cui al variare della
pressione , il livello del pozzetto scendera' o salira' in
senso inverso alla pressione stessa e non essendo la scala
compensata , non sara' possibile avere la misura esatta della
pressione atmosferica.Inoltre con questi diametri di canna e
pozzetto , possono aversi fenomeni di capillarita' , che
andranno a falsare ancora maggiormente la lettura della
pressione.Per queste ragioni tali barometri danno valori
indicativi e pertanto sono da evitare.
5.5 BAROMETRI METALLICI
Molto usati per la loro semplicita' e
praticita' dato il piccolo ingombro e l'assenza di liquido e
per essere trasportati facilmente.Sono i Barometri che
normalmente si trovano nelle case.Non sono molto precisi
poiche' , durante le variazioni di pressione risentono
dell'effetto d'inerzia del metallo rispetto all'elasticita' e
dei giuochi di leve che vengono usati per amplificare lo
spostamento dell'elemento sensibile e trasmettere il
movimento all'indice della scala graduata.Hanno quindi
bisogno di tarature frequenti.La regolazione e' semplicissima
ed avviene agendo su una piccola vite posteriore.Possono
essere tarati sulla pressione assoluta del luogo (a 0°C e
45°,32',40" di latitudine) oppure sulla corrispondente
pressione riportata al livello del mare (M.S.L).
5.6 BAROMETRO OLOSTERICO
Dal Greco ho'los : 'tutto intero' e stereo's :
'solido'.Sono i piu' diffusi.L'elemento sensibile e'
costituito da una capsula metallica deformabile, nel cui
interno e' stato praticato quasi il vuoto.Una parte della
capsula e' ondulata per aumentare
la superficie di
deformazione , e all'interno di essa trovasi anche una molla
antagonista che impedisce alla pressione atmosferica di
schiacciamento.Al centro della parte ondulata e flessibile
si trova una colonnetta , i cui movimenti si trasmettono per
mezzo di lievismi ad una lancetta indicatrice che si muove
davanti ad un quadrante con scala graduata in mm di Hg o hPa.
La taratura e la regolazione si eseguono come per i
modelli 'Aneroidi'.Per avere piu' sensibilita' si usano a
volte piu' capsule in serie.Questo sistema e' usato
particolarmente nei Barografi, dove ne sono usate anche 10.I
Barografi sono barometri olosterici il cui moto e' trasmesso
ad un pennino , la quale traccia il grafico della pressione
su un diagramma avvolto su un tamburo girevole , mosso da un
sistema ad orologeria.
5.7 BAROMETRO ANEROIDE
Il barometro aneroide (cioe' senza fluido) consiste in un tubo chiuso a pareti sottilissime , di sezione lenticolare , privo d'aria e piegato ad arco (toroide).Questo barometro e' detto anche a 'tubo di Bourbon'.Allorche' varia la pressione , la superficie esterna, piu' estesa di quella interna , ne risente maggiormante l'influenza, e percio' gli estremi dell'arco si avvicinano se la pressione aumenta e si allontanano se la pressione diminuisce.I piccoli spostamenti vengono amplificati e trasmessi all'indice , che si muove davanti al quadrante , come nel barometro Olosterico.
5.8 BAROMETRI ELETTRONICI
Sono quelli di ultima generazione , nelle
versioni da tavolo , da parete o da polso.La bibliografia
che per ora si trova su di essi si riduce alle sole
istruzioni, che non parlano affatto di sensori , ma solo dei
modi operativi per usarli.In contrapposizione pero' , questi
strumenti sono sensibili , pronti e precisi, allorche'
vengono paragonati alle indicazioni del barometro a Hg 'da
stazione' . Alcuni di essi sono sensibili fino a 0,1 hPa.Sono
tarati secondo l'atmosfera standard (Tipo I.C.A.O.) e
possono indicare il QNH abs. (pressione assoluta secondo
l'atmosfera standard) o il QNH relativo al livello del mare
(M.S.L.) a seconda della taratura eseguita dall'utente.Sono
tarati secondo la formula fluido-dinamica dell'atmosfera
standard.
P° = QNH rel. al livello del mare (S.M.L.)
P = QNH abs. (indicato dal barometro elettronico)
Tz ST = Temperatura standard in °K dell'altitudine alla quale si trova il barometro.
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