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STRUMENTAZIONE METEOROLOGICA

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a cura della dott.ssa Alessia Saggese
Anemometro
image002L'anemometro è uno strumento utilizzato per misurare la velocità del vento (m/s) e la direzione del vento (°N).
 
 
 
Per quel che riguarda il suo funzionamento, possiamo notare che la massa d'aria in movimento fa ruotare la banderuola in modo che essa punti verso la direzione di provenienza dell’aria stessa; un’elettrocalamita trasforma poi la velocità di rotazione delle coppe in impulsi di corrente tanto più elevati quanto maggiore è la velocità. Tali impulsi vengono inviati ad un computer che elabora il valore della velocità con una determinata frequenza di campionamento.
 
 
 
Per caratterizzare una massa d’aria in movimento si analizzano due variabili:
 
1) l'intensità (ossia la velocità)
 
2) la direzione.
 
Per meglio definire la natura del fenomeno, consideriamo sia la velocità media che la velocità massima delle raffiche. Esprimiamo la velocità del vento in m/s. Per definire la direzione con una maggiore precisione ci si riferisce alla misura geometrica dell'angolo giro, come indicato nella nota "rosa dei venti": 0° corrisponde al Nord, e, procedendo in senso orario, Est = 90°, Sud = 180° e Ovest = 270°.
 

Storia dell’anemometro:

L’anemometro è uno strumento per misurare la velocità del vento. Fu inventato nel 1450 da Leon Battista Alberti e poi rivisto da Leonardo da Vinci. Lo strumento era munito di una tavoletta mobile la cui inclinazione dava una misura della forza del vento. Gli anemometri dotati di palette o di eliche mobili derivano probabilmente dai mulini a vento. A partire dal Settecento molti anemometri utilizzarono il sistema su menzionato. E’ degno di nota un anemometro registratore ideato del francese Ons-en-Bray nel 1734, che era per quei tempi un gioiello della meccanica. Furono anche realizzati particolari anemometri che, sfruttando la pressione del vento, facevano variare l’altezza di un liquido contenuto in un tubo, consentendo in tal modo la misurazione. Un tipo di strumento, che oggigiorno è ancora in uso, fu proposto nel 1845 dall'astronomo irlandese Thomas Robinson. L'apparecchio è munito di una ruota con tre o più bracci sui quali sono fissate delle coppette metalliche che ruotano sotto l'influsso del vento: queste azionano un contatore. Dal numero di giri effettuati per unità di tempo è possibile risalire alla velocità del vento. L'Ottocento vide un'enorme diffusione di apparecchi per registrare la direzione e la velocità del vento e che spesso costituivano parte di grandi meteorografi.
image003Vissuto fra la fine del ‘400 e l’inizio del ‘500, Leonardo disegna due tipi d'anemometri il cui scopo è la determinazione del verso di provenienza e dell'intensità del vento. Il primo, anemometro a lamelle o pennello, è composto da un legno graduato dotato di una lamina che si sposta in funzione della forza del vento. Lo strumento serviva per lo studio delle condizioni atmosferiche ed anche nei suoi studi sulla sicurezza del volo per l’uomo. Il disegno dell'anemometro, databile tra il 1483 ed il 1486, è accompagnato da una interessante didascalia in cui Leonardo evidenzia la necessità di affiancare a questo strumento un orologio al fine di poter determinare la velocità del vento : "A misurare quanta via si vada per ora col corso d'un vento. Qui bisogna un orilogio che mostri l'ore, punti e minuti ". Per individuare la direzione della corrente d’aria, Leonardo disegna un anemoscopio a banderuola che ruota su se stesso disponendosi nella stessa direzione della corrente; mentre per l’intensità del vento progetta un anemometro a lamina metallica verticale incernierata su un'asta di supporto. La lamina è libera di oscillare sotto la pressione del vento ed il suo spostamento lungo una scala graduata semicircolare indica il valore dell’intensità.
 
L’ anemometro a lamelle (imbuto) è, invece, un modello a tubi conici che Leonardo studia per verificare che la pressioneimage004 del vento che fa girare le ruote è proporzionale all’apertura dei coni attraverso i quali passa l’aria, data la stessa intensità del vento. Nella tavola verticale si aprono due fori ("buche" o "busi"). La superficie del secondo è di cinque volte superiore a quella del primo. Detti fori sono "piramidati" ossia formano la base di un cono o imbuto il cui vertice forato è posto davanti a pale rotanti su uno stilo orizzontale, su cui si avvolge la corda che solleva un peso. Chiuso il secondo foro, si misura di quanto il soffio del vento attraverso il primo solleva il peso. Chiuso il primo e aperto il secondo il sollevamento del peso dovrebbe essere superiore di cinque volte.
Per verificare l'assenza di variazioni nella pressione del vento si può usare il "pennello" disegnato più in alto, cioè lo stesso anemometro a lamelle presentato nel cod. Atlantico f. 675.
 
 
 
 
 
 
Anemografo
 
image005L’anemografo posizionato presso l’osservatorio nel 1970, registra in forma grafica le informazioni sulla direzione e sulla velocità del vento.
 
 
Storia dell’anemografo:
Uno dei più grandi studiosi dell'anemometro è stato il napoletano Luigi Palmieri che, nella seconda metà dell'ottocento, oltre a vari altri strumenti, ha inventato un anemometro a mercurio e un anemografo: nel primo caso, si trattava di uno strumento in cui le coppette messe in moto dal vento comprimevano una camera d'aria la quale, a sua volta, faceva salire o scendere la colonnina di mercurio Lo strumento, un po' complesso, era però scientificamente corretto in quanto, applicando varie formule fisiche, si riusciva a stabilire una relazione matematica tra la velocità del vento e la posizione della colonnina di mercurio. Ancora più ingegnoso è l'anemografo di Palmieri: le coppette in rotazione erano collegate a una vera e propria macchina scrivente alimentata elettricamente da un circuito a pile. La macchina azionava le matite registrando in tal modo la direzione e la velocità del vento: un vero precursore delle moderne stazioni meteo elettroniche.
 
 
 
 
 
Pluviometro
 
Il pluviometro è uno strumento utilizzato per misurare la quantità di pioggia caduta (mm oppure l/m2).
 
Sulla nostra stazione sono presenti tre pluviometri:
 
1)Pluviometro manuale: costituito da un contenitore cilindrico, che raccoglie l’acqua in un contenitore di plastica che viene misurata attraverso un cilindro graduato.
 
2) Due pluviometri basculanti: costituiti da un contenitore cilindrico, che convoglia l’acqua in una bascula, incernierata in un punto tale che ogni sua oscillazione corrisponda alla caduta di 0.1 mm di pioggia per un pluviometro e 0,2 mm di pioggia per l’altro.
 
image007La differenza tra pluviometri e pluviografi fatta nel passato sta scomparendo. Infatti, fino a circa 10-20 anni fa, si indicavano come pluviometri quegli strumenti che di fatto non avevano modo di registrare l'evoluzione temporale della pioggia e che venivano controllati a cadenza quotidiana. Diversamente il pluviografo era uno strumento che attraverso alcuni cinematismi meccanici, consentiva la registrazione della pioggia verificatasi in un certo intervallo di tempo (giornaliero, settimanale, ecc), su un'apposita striscia di carta millimetrata. Tali strumenti presentavano una serie di problemi, quali quelli manutentivi, di affidabilità e di lettura e trattazione dei dati. Infatti, tali operazioni dovevano essere fatte manualmente. Con lo sviluppo dell'elettronica prima e dell'informatica poi, i pluviografi sono andati sempre più affermandosi grazie alla facilità di gestione e di utilizzo; si è passati da strumenti meccanici a strumenti elettronici che consentono di archiviare dati su supporti digitali. Oggi la distinzione tra i due tipi di strumenti è di fatto quasi scomparsa e ha senso solo quando sono considerati i vecchi strumenti che non hanno una capacità di registrazione delle precipitazioni inferiori alle 24 ore.
 
 
 
CAPANNINA METEO

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Le caratteristiche della capannina sono:
 
Sufficiente robustezza;
 
Altezza sufficiente, i bulbi a non meno di 1,5 mt dal suolo;
 
Pareti a persiana, per una buona circolazione dell’aria;
 
Dipinte di bianco sia all’interno che all’esterno;
 
Sportello di apertura rivolto a Nord;
 
 
All’interno della capannina sono disposti, su supporti adeguati, i sensori termometrici, per evitare le radiazioni dirette ed indirette. I termometri collocati nella capannina meteorologica sono di due tipi: a minima e a massima. Sono, infatti, di particolare importanza perché consentono la lettura del valore massimo e minimo della temperatura che si raggiungono durante il corso della giornata.
 
Il termometro a massima più comune è a Hg, quello a minima è ad alcool ed entrambi sono in vetro. Il termometro a massima e quello a minima sono a lettura visiva e registrano.
 
Quello a massima è un termometro a Hg utilizzato per misurare la più alta temperatura verificatasi in un periodo di tempo determinato. In questo tipo di termometro il tubo capillare, al suo attacco con il bulbo, presenta una strozzatura.
 
Quando la temperatura aumenta, il Hg del bulbo, per effetto della pressione che si viene a creare a causa della dilatazione, è forzato a passare attraverso la strozzatura e a spostarsi nel tubicino.
 
Quando la temperatura diminuisce, il Hg contenuto nel tubo capillare non riesce ad attraversare la strozzatura e resta nel tubicino ad indicare la massima temperatura.
 
Preparazione del termometro a massima
 
Si prepara afferrando per la metà superiore, ossia disposto con il bulbo in basso, e si impartisce alcuni energici impulsi. Viene così vinta la resistenza che la strozzatura oppone al moto del mercurio verso il bulbo e si ottiene il ricongiungimento del mercurio della colonnina con quello del bulbo.
 
Lettura
Dopo aver preparato il termometro a massima, lo strumento si sistema in posizione orizzontale per evitare che la colonnina staccata possa spostarsi per gravità lungo il capillare.
 
Il termometro a minima, utilizzato per misurare la temperatura più bassa verificatasi in un periodo determinato di tempo, è uno strumento che impiega alcool in quanto il punto di solidificazione, essendo più basso di quello dell’Hg, risulta più idoneo allo scopo. Il bulbo è, generalmente, foggiato a forcella onde aumentare la superficie a contatto con l’aria. Nel tubo capillare vi è un minuscolo indice di materiale leggerissimo, che alle estremità ha un piccolo rigonfiamento ed è interamente immerso nel liquido termometrico. Capovolgendo il termometro col bulbo in alto, l’indice scende nel tubicino fino ad adagiarsi, senza romperlo, sul menisco del liquido. Disponendo, allora, il termometro in posizione orizzontale, quando la temperatura diminuisce, l’alcool si ritrae e spinge l’indice verso il bulbo; al crescere della temperatura, il liquido termometrico fluisce oltre l’indice, senza muoverlo. L’indice, così, mostra con la sua estremità opposta al bulbo del termometro, la minima temperatura raggiunta, mentre il menisco del liquido indica la temperatura attuale. I termometri descritti si adoperano orizzontalmente e sono posti su un apposito sostegno metallico.image010
 
PREPARAZIONE
 
· Si prepara inclinando lentamente con il bulbo rivolto verso l’alto, in modo che l’indice, scorrendo nel capillare, venga a contatto con il menisco del liquido.
 
LETTURA
 
Si dispone in posizione leggermente inclinata, con il bulbo rivolto verso il basso, per agevolare il trascinamento dell’indice quando la temperatura diminuisce.
 
Storia del termometro
Nel 1593 Galileo Galilei inventò il primo termometro che venne poi perfezionato nel 1641 dal Granduca Ferdinando II, uomo sensibile alla scienza, impiegando l'alcool. Galileo utilizzava un cilindro di vetro contenente al suo interno un liquido la cui densità aumentava sensibilmente quando la temperatura esterna diminuiva. Nel liquido poi galleggiavano delle ampolline di vetro con racchiuso un liquido colorato e attaccate delle targhette numerate. Il loro scendere e salire per il caldo o per il freddo esterno permetteva di misurare la temperatura dell'ambiente.
Il suo funzionamento si basa sul principio di Archimede, per cui il bilancio dinamico fra forza di gravità e spinta di Archimede fa sì che un corpo galleggi o affondi in un mezzo fluido a seconda che la sua densità sia minore o maggiore di quella del mezzo fluido.
La densità del liquido (alcool per esempio) contenuto nel termometro varia con la temperatura. Aumentando la temperatura il liquido si rarefa e viene ad avere una densità minore di quella precedente e via via di quella delle varie sferette di cristallo immerse, che così affondano.
Le sferette sono costruite in maniera tale da differire leggermente di massa e quindi, a parità di volume, di densità: affonda prima quella di massa maggiore e quindi di densità maggiore, e tale andare a fondo corrisponde ad una certa temperatura che fa sì che la densità del liquido diventi minore di quella di tale sferetta. Ad ogni sferetta viene quindi attaccata un'etichetta che misura proprio l'instaurarsi di quella temperatura che determina questa condizione di affondamento. Più tardi nel Settecento si faceva ricorso al mercurio; il perfezionamento continuava fino ad arrivare ai nostri giorni quando l'elettronica e i suoi sensori sostituiscono ogni tipo di liquido.
 

Sensore UVB

Questo sensore è utilizzato per la misura dell’ UVB.
image012La radiazione solare include la radiazione ultravioletta (UV), la radiazione visibile (luce), e la radiazione infrarossa (IR). La radiazione è caratterizzata dalla lunghezza d’onda, generalmente espressa in nanometri (1nm=10-9m). Nel descrivere gli effetti biologici la radiazione ultravioletta è spesso suddivisa in tre bande spettrali: UVC (100-280 nm), UVB (280-315 nm) e UVA (315-400 nm).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
I fattori che influenzano la radiazione UV incidente sulla superficie terrestre sono:
 
Ozono atmosferico
La radiazione UV è assorbita e diffusa dall’atmosfera. La radiazione UVC viene completamente assorbita nell’alta atmosfera dalle molecole di ossigeno e di ozono (O3). Gran parte della radiazione UVB è assorbita nella stratosfera dalle molecole di ozono e solo una piccola percentuale raggiunge la superficie terrestre. La radiazione UVA attraversa liberamente l’atmosfera. Quindi, a livello di superficie terrestre la radiazione UV è composta principalmente da UVA e solo in piccola parte da UVB. La radiazione UVB è nota per essere dannosa biologicamente, mentre quella UV-A è molto meno dannosa, ma è nota per il suo potere abbronzante sulla pelle umana. L’intensità della radiazione UVB incidente sulla superficie terrestre dipende fortemente dal contenuto di ozono nell’atmosfera e quindi dallo spessore dello strato di ozono.
 
Elevazione solare
L’elevazione solare è l’angolo tra un piano orizzontale e la direzione dei raggi solari. L’angolo zenitale solare (SZA) è spesso impiegato al posto dell’elevazione solare: è l’angolo fra la direzione dello zenith e la direzione dei raggi solari. Per ampie elevazioni solari la radiazione UV è più intensa perché i raggi solari devono compiere un tragitto più breve nell’atmosfera e quindi attraversano una minore quantità di sostanze assorbenti. Poiché la radiazione UV dipende strettamente dall’elevazione solare varierà anche con la latitudine, con la stagione e con l’ora del giorno, ed infatti è più alta ai tropici, in estate e al mezzogiorno.
 
Altitudine
La radiazione UV incidente aumenta con l’altitudine perché la quantità di sostanze in grado di assorbirla decresce con la quota. Da alcuni rilevamenti emerge come l’irradianza UV aumenti di circa il 6-8% ogni 1000 metri di quota.
 
Diffusione atmosferica
La radiazione solare è costituita da una componente diretta e da una diffusa. La radiazione solare viene diffusa dalle molecole di aria, di aerosol e di vapor d’acqua. La componente diretta è costituita dai raggi solari che attraversano direttamente l’atmosfera senza aver subito diffusione ed assorbimento. La componente diffusa è costituita da raggi solari che sono stati sottoposti a diffusione prima di raggiungere la superficie terrestre. La diffusione dipende molto dalla lunghezza d’onda della radiazione. Il cielo sembra azzurro perché la radiazione azzurra è diffusa molto di più rispetto alle altre componenti. La radiazione UV viene diffusa ancora più facilmente e la radiazione UVB che giunge sulla terra è costituita da componente diretta e diffusa nel rapporto 1:1 (durante giornate serene).
 
Nubi e foschia
La radiazione UV incidente è maggiore se il cielo è sereno. Le nubi generalmente riducono la radiazione UV, ma l’attenuazione dovuta alle nubi dipende sia dallo spessore che dal tipo di nube. Nubi sottili o molto sparse hanno soltanto un piccolo effetto sulla radiazione UV che giunge al suolo. In certe condizioni e per brevi periodi, scarsa presenza di nubi può anche provocare un aumento della radiazione UV rispetto a quella che si avrebbe in condizioni di cielo sereno. In condizioni di foschia la radiazione UV è assorbita e diffusa dal vapor d’acqua e dagli aerosol provocandone una attenuazione.
 
Riflessione del suolo
Parte della radiazione che raggiunge il suolo viene assorbita dalla superficie del suolo ed in parte viene riflessa verso lo spazio. La quantità di radiazione riflessa dipende dalle caratteristiche della superficie. Molte superfici naturali come prati, suolo nudo ed acqua riflettono meno del 10% della radiazione incidente. La neve fresca, invece, può riflettere fino all’80% della radiazione incidente. Durante la primavera, in giornate di cielo sereno la riflessione della neve può far salire i valori di radiazione UV, su superfici inclinate, fino a valori estivi. Questo è molto importante ad alte altitudini e ad elevate latitudini. La sabbia può riflettere fino al 25% circa della radiazione incidente e può incrementare l’esposizione alla radiazione UV sulle spiagge. Circa il 95 % della radiazione UV penetra nell’acqua e circa il 50% arriva alla profondità di 3m (in acqua limpida).​