La meteorologia è lo studio dell’atmosfera terrestre e delle variazioni dei modelli di temperatura e umidità che producono diverse condizioni meteorologiche. Alcuni dei principali argomenti di studio sono fenomeni come precipitazioni (pioggia e neve), temporali, tornado, uragani e tifoni.
L’importanza degli eventi meteorologici è sentita in vari modi. Ad esempio, una siccità provoca carenza d’acqua, danni alle colture, basse portate fluviali e un aumento del potenziale di incendi., Inoltre, questi effetti possono portare a limitati viaggi fluviali, infiltrazioni di acqua salata nelle falde acquifere e nelle baie costiere, stress su varie specie vegetali e animali, spostamenti di popolazione, difficoltà economiche e persino disordini politici. L’impatto critico del tempo sull’attività umana ha portato allo sviluppo della scienza incerta delle previsioni meteorologiche.
La parola meteorologia deriva dalla parola greca meteoron, che si riferisce a qualsiasi fenomeno nel cielo. La Meteorologica di Aristotele (340 a.C.) riguardava tutti i fenomeni al di sopra del suolo., L’astronomia, incluso lo studio delle meteore, o “stelle cadenti”, divenne in seguito una disciplina separata. La scienza della meteorologia è stata limitata alla fine allo studio dell’atmosfera. Vari fenomeni meteorologici sono ancora indicati come “meteore”, come idrometeori (acqua liquida o congelata — pioggia, neve e fiocchi di neve, nuvole, nebbia), lithometeor (particelle secche — sabbia, polvere o fumo), fotometeori (fenomeni ottici — aloni, miraggi, arcobaleni, corone) ed elettrometeori (fenomeni elettrici — fulmini, fuoco di Sant’Elmo).,
La meteorologia moderna si concentra principalmente sui modelli meteorologici tipici osservati, tra cui temporali, cicloni extratropicali, fronti, uragani, tifoni e varie onde d’acqua tropicali. La meteorologia è solitamente considerata per descrivere e studiare le basi fisiche per i singoli eventi. Al contrario, la climatologia descrive e studia l’origine dei modelli atmosferici osservati nel tempo. Diversi fenomeni importanti, come i monsoni e l’oscillazione El Niño–Southern, sono considerati sia in meteorologia che in climatologia perché presentano grandi cambiamenti sulle scale temporali stagionali.,
Ambito
Lo sforzo di comprendere l’atmosfera e i suoi processi attinge a molti campi della scienza e dell’ingegneria. Lo studio dei moti atmosferici è chiamato meteorologia dinamica. Fa uso di equazioni che descrivono il comportamento di un fluido comprimibile (aria) su una sfera rotante (la Terra). Una complicazione importante in questo studio è il fatto che l’acqua nell’atmosfera cambia avanti e indietro tra solido, liquido e gas in modo molto complesso. Questi cambiamenti modificano notevolmente le equazioni utilizzate nella meteorologia dinamica.,
La meteorologia fisica, o fisica dell’atmosfera, si occupa di una serie di aree di studio specializzate. Ad esempio, lo studio delle nuvole e delle varie forme di idrometeori comporta indagini sul comportamento dell’acqua nell’atmosfera. Lo studio del trasferimento radiativo riguarda la fonte fondamentale di energia che guida i processi atmosferici, ovvero la radiazione solare, e le modalità con cui l’energia radiante in generale viene impiegata e dissipata nell’atmosfera., Altre discipline specializzate si occupano di fenomeni che coinvolgono la luce (ottica atmosferica) e il suono (acustica atmosferica).
Alcuni rami della meteorologia sono definiti in termini di dimensioni dei fenomeni studiati. Ad esempio, la micrometeorologia è principalmente lo studio delle interazioni su piccola scala tra il livello più basso dell’atmosfera e le superfici con cui viene a contatto. La meteorologia mesoscala si occupa di fenomeni di dimensioni intermedie-temporali e venti di montagna, per esempio., La meteorologia sinottica si occupa di processi più grandi come i sistemi ad alta e bassa pressione e i loro fronti, e così via fino allo studio della circolazione atmosferica complessiva per scale temporali di pochi giorni. Le previsioni meteorologiche, l’aspetto predittivo della meteorologia, derivano da queste discipline.
Altri rami della meteorologia si concentrano sui fenomeni in luoghi specifici, come le aree equatoriali, i tropici, le regioni marittime, le aree costiere, i poli e le montagne. Anche l’atmosfera superiore viene studiata separatamente., Altre discipline si concentrano sulla presa di osservazioni con particolari tecnologie, tra cui radio, radar e satellite artificiale. La tecnologia informatica è ampiamente applicata, compresa la previsione numerica del tempo, l’analisi interattiva dei dati e i sistemi di visualizzazione.
Il comportamento chimico dell’atmosfera, studiato in chimica atmosferica, ha rapidamente acquisito importanza a causa di cambiamenti involontari causati dall’uomo nella composizione molecolare dell’atmosfera., I cambiamenti nell’ozono (e nello strato di ozono) e nelle concentrazioni di anidride carbonica, e l’aumento dei livelli di piogge acide, sono andati oltre lo status di problemi locali per diventare problemi regionali o globali.
Gli studi meteorologici vengono effettuati in collaborazione con diversi campi correlati all’ambiente. Questi includono aeronautica, agricoltura, architettura, balistica, ecologia, produzione di energia, silvicoltura, idrologia, medicina e oceanografia., Molti di questi campi correlati devono semplicemente determinare gli effetti del tempo in un determinato momento e luogo, ma alcuni — idrologia e oceanografia, per esempio — influenzano anche gli eventi meterologici modificando le condizioni atmosferiche sulla superficie terrestre.
Sviluppo della meteorologia moderna
Le origini della meteorologia si trovano nelle osservazioni qualitative del tempo locale e della speculazione., Nel complesso, il lavoro di Aristotele è stato il riferimento standard nel periodo antico e medievale, fino a quando René Descartes, Galileo Galilei, e altri hanno cominciato a sostituire la speculazione con osservazioni strumentali nei primi anni del 17 ° secolo. Gli strumenti necessari per eseguire queste misurazioni — il barometro, l’igrometro e il termometro — furono sviluppati nel periodo che va dal 1650 al 1750 circa., Il lavoro teorico e sperimentale corrispondente includeva le leggi del moto, del raffreddamento e della rifrazione di Sir Isaac Newton; il lavoro di Blaise Pascal, Edme Marriotte, Robert Hooke, Edmund Halley e altri sull’ipsometria (misurazione precisa delle altitudini); il lavoro di Robert Boyle sui gas; e quello di Halley, George Hadley e Jean Le Rond d’Alembert sulla circolazione atmosferica. Nel secolo successivo (1750 -1850), i termometri furono standardizzati, Benjamin Franklin studiò i fulmini, John Dalton pose le basi per misurare l’evaporazione e l’umidità e Luke Howard classificò le nuvole., Dopo il 1800, privati e istituzioni pubbliche iniziarono a raccogliere osservazioni meteorologiche.
Dopo che la flotta francese fu danneggiata da una tempesta durante la guerra di Crimea (1853-56), furono avviati seri tentativi in Europa occidentale e in Nord America di raccogliere dati meteorologici da molte località contemporaneamente per mezzo del telegrafo recentemente inventato (1837). Lo sviluppo di orologi affidabili ha permesso la registrazione continua delle osservazioni. Sono stati inventati gli anemometri a tazza e a pressione e l’elettricità è stata sfruttata per registrare le letture dello strumento., Più tardi, palloncini, aquiloni e aerei furono usati per trasportare strumenti meteorologici attraverso la troposfera, lo strato più basso dell’atmosfera terrestre, nella stratosfera, il secondo strato atmosferico più basso, che fu scoperto, chiamato e descritto poco dopo il 1900. Osservazioni sistematiche dell’aria superiore iniziarono nel 1920 dopo lo sviluppo di radio alimentate a batteria abbastanza leggere da essere trasportate da palloncini. La raccolta di rapporti dell’aria superiore su vaste aree ha fornito una descrizione più completa dell’atmosfera, incluse caratteristiche come la corrente a getto.,
La termodinamica, sviluppata dalla metà del 19 ° secolo in poi, ha fornito una componente importante nell’insieme delle formule che descrivono i moti e le trasformazioni atmosferiche. Durante il secolo dal 1850 al 1950, la meteorologia sinottica era il ramo dominante, con un corpo di principi fisici più fondamentali che sostituivano le regole empiriche sparse. Circa 1920 la scuola di Bergen, guidata da Vilhelm Bjerknes e suo figlio Jacob, sintetizzò queste idee nella teoria del fronte polare dei cicloni, inclusi concetti chiave come fronti e masse d’aria.,
La meteorologia dinamica moderna nacque nel 1948, quando Jule Charney riuscì a ridurre le equazioni dinamiche complete (dichiarate per la prima volta da Vilhelm Bjerknes nel 1904) in una forma semplice ma utile. Lo sviluppo simultaneo del computer digitale ha assicurato che il metodo di Charney ha avuto un grande impatto pratico, per esso ha permesso previsioni meteo per essere basata su una soluzione approssimativa per le equazioni dinamiche in funzione del tempo.
Dal 1948, le tecnologie per il telerilevamento dell’atmosfera sono proliferate., Nel 1950, il radar era stato sviluppato al punto da poter essere utilizzato per delineare le nuvole con le loro gocce d’acqua sospese e quindi indicare la struttura interna delle tempeste, in particolare i temporali. A partire dalla metà degli anni 1960, le unità radar che misurano lo spostamento Doppler sono state sviluppate per fornire informazioni sulla velocità. Dopo il 1960, i satelliti iniziarono a fornire osservazioni dettagliate dell’intera Terra.,
La prima attività governativa sostenuta in meteorologia negli Stati Uniti arrivò nel 1870, quando il Congresso ordinò all’esercito di organizzare un servizio meteorologico per prevedere le tempeste sui Grandi Laghi e sulle coste. Dopo due decenni sotto il Signal Corps, questa attività è stata trasferita a un nuovo Ufficio meteorologico civile nel Dipartimento dell’Agricoltura perché gli agricoltori erano particolarmente preoccupati per le previsioni del tempo imminente e le tendenze climatiche a lungo termine., Mezzo secolo dopo il crescente bisogno di aviatori per osservazioni frequenti e previsioni a breve termine ha portato al trasferimento dell’ufficio al Dipartimento del Commercio. Nel 1965 l’Ufficio meteorologico divenne parte della nuova Environmental Science Services Administration (ESSA), con la climatologia separata nel nuovo Environmental Data Service (EDS); cinque anni dopo ESSA fu abbandonata e l’ufficio divenne il National Weather Service, una parte della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).,
Meteorologia contemporanea
Il campo della meteorologia sta diventando sempre più computerizzato e automatizzato mentre gli scienziati cercano il modo migliore per utilizzare il flusso di osservazioni da un’ampia varietà di strumenti tradizionali e nuovi. Ad esempio, l’elaborazione rapida dei dati radar Doppler è fondamentale per massimizzare il tempo di avvertimento per i tornado e altri gravi fenomeni meteorologici locali. La preparazione delle osservazioni per l’uso in grandi modelli numerici di previsione globale, il” timestepping ” di questi modelli e l’elaborazione dell’output risultante sono troppo laboriosi per qualsiasi computer tranne i più potenti., Lo sviluppo del World Wide Web ha aperto una nuova gamma di opzioni per diffondere i dati risultanti e le informazioni di previsione in modi che sono ancora in fase di studio.
Gli Stati Uniti hanno investito in importanti nuove generazioni di sistemi di osservazione, tra cui la rete radar WSR-88D (Weather Surveillance Radar-1988, Doppler), tre assi stabilizzati GOES e sensori a microonde in orbita terrestre bassa. I sensori satellitari attivi, come lo scatterometro, che può misurare la velocità del vento sulla superficie dell’oceano, vengono spinti allo stato operativo., Nel frattempo, la fusione di fonti di dati esistenti utilizzando schemi basati su computer dovrebbe aumentare l’utilità di tutte le fonti di dati, vecchie e nuove.
Molte di queste informazioni sono passate in tutto il mondo sul Sistema di telecomunicazioni globale, organizzato dall’Organizzazione meteorologica mondiale entro vincoli dovuti a considerazioni commerciali, di sicurezza nazionale e logistiche da parte di alcuni paesi. A loro volta, alcuni centri in tutto il mondo sviluppano grandi simulazioni di modelli al computer dalle condizioni osservate e inviano le previsioni meteorologiche risultanti attraverso la rete., Due di questi centri sono i Centri nazionali per la previsione ambientale (Suitland, Md.) e il Centro Europeo per le previsioni meteorologiche a medio raggio (Bracknell, Inghilterra).
Un’altra forma di cooperazione internazionale è vista in vari programmi di ricerca. Ad esempio, il Global Energy and Water Exchange Program cerca di sviluppare osservazioni e teorie che rivelano il ciclo di energia e acqua attraverso l’atmosfera terrestre, gli oceani, la superficie terrestre e la criosfera. La missione Tropical Rainfall Measuring è una missione congiunta degli Stati Uniti.,- Satellite di ricerca giapponese lanciato nel 1997 come “pluviometro volante” sulle regioni tropicali. Tale cooperazione internazionale è fondamentale per affrontare i fenomeni su scala globale.
di George J. Huffman