La misura del Clima

Valerio Moretti e Luca Salvati • Strumenti per la rilevazione e l’analisi dell’ambiente che cambia

 

•• Lo studio delle dinamiche ambientali non può prescindere dalla conoscenza dei cambiamenti climatici. L’applicazione dei modelli matematici, sia previsionali che per quanto concerne lo studio delle modificazioni climatiche attuali, necessitano di serie storiche di dati (organizzate su validi supporti informatici quali i data-base) accessibili e confrontabili tra loro. In questa chiave, è di fondamentale importanza procedere alla rilevazione dei dati secondo le metodologie internazionali dettate dalla Organizzazione Meteorologica Mondiale.

La strumentazione utilizzata per la misura delle diverse grandezze climatiche ha subito, nel corso degli anni, una spiccata evoluzione tecnologica che ha consentito di migliorare la precisione della misura e ha reso più tempestiva e veloce, la raccolta e l’immagazzinamento informatico dei dati.

La misura della temperatura

Alcuni modelli di sensori elettronici della temperatura (Pt 100, termistori e termocoppie)

La misura della temperatura rappresenta il tentativo di quantificare la sensazione di caldo o freddo ed è la risultante dell’effetto di diverse grandezze climatiche sull’ambiente. Essa rappresenta lo stato termico potenziale della materia e il passaggio di calore tra i corpi, strettamente legato alla differenza di temperatura che tra di loro si genera. Il «termometro» consente di misurare la temperatura di un sistema e sfrutta la correlazione esistente tra volume e temperatura di sostanze liquide (alcol, mercurio, ecc.). Il termometro a mercurio è costituito essenzialmente da un bulbo collegato ad una micro-cannula sottovuoto e contente un liquido che, variando il proprio volume, consente di leggere direttamente su una scala graduata il valore in gradi (Celsius, Farenait ecc.). Con il termografo in grado di registrare su carta si è passati da una misura istantanea (termometro) alla possibilità di memorizzare i dati per una settimana procedendo alla lettura dei diagrammi registrati. Attualmente la temperatura viene misurata con sensori elettronici che sfruttano il principio della variazione della resistenza elettrica di alcuni metalli nobili (platino) quando sono sottoposti ad una variazione di temperatura (termoresistenze o termistori), o della differenza di potenziale che si crea ponendo a contatto materiali diversi (Termocoppie).

La massima precisione si raggiunge con le termocoppie (precisione 0,02°C), con le quali si evita anche il minimo riscaldamento del sensore che contrariamente si genera al passaggio della corrente nelle termoresistenze al platino tipo Pt100, Pt500 o Pt1000 (precisione 0,1°C) e nei termistori (precisione 0,2-0,5°C).

 

La capannina meteorologica ha lo scopo di consentire la misura della temperatura in condizioni di ombreggiamento come previsto dall’Organizzazione Meteorologica Mondiale. La capannina, rigorosamente di colore bianco, affinché sia in grado di riflettere i raggi solari, ha in genere la forma di una casetta in legno di larice stagionato, le cui pareti sono dotate di persiane, sia esternamente che internamente. Nelle stazioni elettroniche la capannina è stata sostituita da schermi protettivi che impediscono l’irraggiamento del sensore (figura 1).

Per zone climatiche dove vi è scarsissima ventilazione sono nati anche degli schermi «ventilati» che garantiscono un costante ricircolo d’aria al suo interno, assicurando una misurazione efficace.

Precipitazione

La conoscenza della quantità di acqua che cade in una determinata zona è di fondamentale importanza per la stesura dei bilanci idrologici e per definire il regime irriguo delle colture di interesse agrario. La quantificazione di questa variabile, in combinazione con la temperatura, consente di definire l’indice di aridità, la cui conoscenza è indispensabile quando si deve procedere alla progettazione di opere irrigue a livello territoriale (figura 2).

 

La precipitazione come valore cumulato, viene espressa in mm di altezza dello strato di acqua che cade su una superficie impermeabile. Un mm corrisponde ad un litro di acqua per mq di superficie. Lo strumento utilizzato per effettuare questa misura è il «pluviometro» o il «pluviografo» che registra su carta l’andamento delle precipitazioni. Come si può osservare nella figura 2 il sensore si compone essenzialmente di una bocca di superficie nota per la ricezione della pioggia. Questa viene convogliata all’interno dove due vaschette basculanti la ricevono e la scaricano ogni 20 g. La taratura del sistema è fatta in modo che ogni basculata corrisponda generalmente a 0,2 mm di pioggia. La calibrazione deve essere periodicamente controllata dall’operatore che si occupa della gestione della stazione meteo. Nel caso di centraline elettroniche ogni oscillazione trasmette ad un data-logger un impulso elettrico la cui somma registra la quantità di pioggia. Nel caso di centraline tradizionali, il movimento di oscillazione delle vaschette viene trasmesso ad un sistema meccanico che termina con la scrittura di un pennino su carta diagrammata.

Umidità relativa dell’aria

L’umidità dell’aria è un fattore importante perché influenza direttamente il potere evaporante dell’atmosfera regolando l’evapotraspirazione delle colture e quindi il loro metabolismo. Un eccesso di umidità nell’aria (specialmente se accompagnata da alte temperature) influenza negativamente anche la respirazione e lo stato fisico degli animali. Il quantitativo massimo di umidità contenibile per volume dipende dalla temperatura; si intende per umidità di saturazione o tensione di saturazione il quantitativo massimo di vapore acqueo contenibile a quella temperatura attraverso il raggiungimento dell’equilibrio tra molecole che evaporano e molecole che condensano. La misura dell’umidità relativa viene espressa come percentuale dell’umidità di saturazione. Un’umidità relativa del 100% corrisponde all’umidità di saturazione a una determinata temperatura. La stretta correlazione tra umidità relativa e temperatura è rappresentata dal rapporto «psicrometrico» che prende in considerazione la temperatura a bulbo asciutto con quella a bulbo bagnato (figura 3). Il più antico sistema di misurazione dell’umidità dell’aria è costituito dall’igrometro a capelli (o igrografo).

Attualmente l’umidità relativa viene misurata con l’igrometro elettronico che utilizza dei sensori a stato solido che possiedono la caratteristica di variare i propri parametri elettrici proporzionalmente al valore di umidità relativa cui sono esposti. Possono essere di tipo resistivo o capacitivo. I. Gli igrometri elettronici sono estremamente precisi e compatti.

Intensità e direzione del vento

Come è noto la ventosità è un elemento del clima che determina alcuni fenomeni naturali molto importanti. Le masse d’aria che si spostano verso un’area depressionaria, nel suo movimento possono trasportare materiali di diversa natura (inquinanti), possono causare cedimenti di manufatti che si interpongono lungo la direzione del vento, possono altresì favorire fenomeni di evapotraspirazione allontanando l’eccessiva umidità dell’aria. Risulta pertanto comprensibile quale importanza rivesta la misura dell’intensità del vento e la sua provenienza. Gli strumenti utilizzati per effettuare queste misure sono l’anemometro per quanto concerne l’intensità e l’«anemoscopio» (Banderuola) per quanto riguarda la direzione (figura 4).

 

Figura 5. Anemometro sonico e rosa dei venti

L’anemometro a coppe può essere di tipo «dinamometrico» dove la velocità di rotazione è direttamente correlata alla quantità di corrente prodotta dalla dinamo interna al sensore, o di tipo «foto-ciopper» dove la velocità di rotazione e strettamente correlata al numero di impulsi emessi dalla sequenza luce-buio. Il primo è strettamente di tipo analogico, mentre il secondo è di tipo digitale. Per quanto concerne l’anemoscopio il principio di funzionamento si basa sulla misura della corrente in uscita a fronte di una alimentazione del sensore. L’uscita è determinata della variazione di resistenza sul circuito determinata dalla posizione dell’indice della banderuola che agisce su un «reostato» interno al sensore. Un tipo particolare di anemometro è quello ad ultrasuoni che fornisce la direzione sia delle componenti orizzontali che verticali sul quadrante della rosa dei venti oltre alla loro intensità (figura 5).

Radiazione solare

L’energia luminosa emessa dal sole (2 cal/cmq*minuto) in parte raggiunge la terra, in parte viene riflessa dall’atmosfera che circonda il pianeta. È noto che tutta la radiazione che raggiunge la terra subisce delle trasformazioni che ne variano la lunghezza d’onda e generalmente producono calore. Gli scambi di calore sono determinati dalle differenze di temperatura. Il «bilancio energetico»del globo alla fine può risultare positivo o negativo nei confronti della quantità di calore generata. Un bilancio positivo tende a prevedere un riscaldamento globale, al contrario un bilancio negativo indica una tendenza al raffreddamento. Di seguito si riporta uno schema di bilancio energetico globale espresso in W/mq. Premesso che tutte le forme di energia devono essere misurate e quantificate, in questo articolo ci occuperemo di valutare la quantità di energia che giunge al suolo, che dipende essenzialmente dalle stagioni e dallo strato di gas serra che avvolgono l’atmosfera terrestre. La misura della radiazione si effettua con il «piranometro» e viene espressa come intensità (W/mq) o come sommatoria di calorie (cal/cmq).

 

Figura 6. Piranometro a termopila e ad effetto fotovoltaico

Uno dei primi strumenti utilizzati è il cosiddetto radiometro bimetallico che sfrutta la differenza di dilatazione di due barrette metalliche rispettivamente di colore nero e bianco. Come è noto il nero assorbe tutta la radiazione incidente mentre il bianco la riflette tutta. Le due barrette sono inserite in una capsula di vetro al cui interno è stato fatto il vuoto. Il vetro e la mancanza di aria impediscono l’ingresso dell’energia termica (calore) dall’esterno, ma consentono il passaggio di quella luminosa, di conseguenza la dilatazione dei corpi metallici è solo determinata da quest’ultima. Il movimento di dilatazione viene trasmesso meccanicamente ad un pennino che scrive su carta diagrammata. Per le stazioni meteorologiche di tipo automatico si utilizzano due tipi di solarimetri e precisamente i «piranometri a termopila» e ad «effetto fotovoltaico» (figura 6).

Il primo è costituito da una capsula di vetro sotto vuoto che consente il passaggio della luce e la concentra su una piastrina nera composta da una grande quantità di micro-termocoppie che producono una differenza di potenziale (tensione elettrica) che è direttamente proporzionale alla radiazione solare entrata (lunghezza d’onda compresa tra 0,2 e 3 ?m). Per quanto concerne il piranometro ad effetto fotovoltaico, questo sfrutta la caratteristica che hanno alcuni elementi chimici (silicio) di cedere elettroni se vengono riscaldati dalla luce. Questo flusso di elettroni (corrente elettrica) viene misurato e correlato alla quantità di energia solare incidente.

Eliofania

Eliofanometro di Campbell e Stokes e di tipo elettronico

Facendo riferimento al paragrafo precedente, dal punto di vista pratico può essere interessante conoscere lo stato di nuvolosità del cielo come percentuale delle ore di luce astronomiche proprie del periodo considerato. Per la misura di questo parametro si usa l’«eliofanometro». Lo strumento tradizionale consiste in una grossa lente sferica che concentra i raggi solari in un punto che si muove con il movimento del sole. Questi raggi concentrati provocano delle bruciature su delle strisce di cartoncino di lunghezza variabile a seconda delle stagioni su cui sono segnate le ore del giorno. Il rapporto tra le ore segnate con la bruciatura e quelle teoriche del periodo per cento fornisce la percentuale di nuvolosità del cielo. Gli strumenti elettronici lavorano su un sistema di oscuramento di celle al silicio mediate delle lamelle ruotanti. La tensione in uscita viene correlata con la durata dell’insolazione. Per insolazione si intende una presenza radiativa uguale o superiore ai 140 W/mq.

Conclusioni

Il monitoraggio meteo-climatico è basato su sensori e tecnologie in continua evoluzione, che consente una lettura precisa ed immediata dei fenomeni atmosferici oggetto di interesse. L’evoluzione tecnologica ha anche consentito una drastica riduzione dei prezzi come pure una più rapida diffusione della stazione meteorologica come strumento amatoriale di osservazione del tempo (si pensi, ad esempio, alle numerose stazioni di misura collegate al web tramite le reti di associazioni private e singoli cittadini). Se, dal punto di vista di divulgazione della scienza, questo aspetto è straordinariamente positivo, bisogna anche ricordare l’esistenza di regole piuttosto rigide per l’installazione delle stazioni soprattutto in ambiente urbano, regole volte principalmente ad assicurare un’elevata comparabilità dei dati in tutte le condizioni sperimentali possibili. Va anche notato come, seppure nel proliferare di stazioni di misura automatiche e amatoriali, le serie di dati di lungo corso, raccolte dalle stazioni appartenenti a reti di misura pubbliche o private operanti da lungo tempo, vanno ulteriormente protette e mantenute in vita come testimonianza del passato climatico e come supporto alla conoscenza del presente e alla previsione del futuro basata su solide basi quantitativo-modellistiche.

 

 

Valerio Moretti e Luca Salvati
Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura

Centro per lo studio delle Relazioni Pianta-Suolo, Roma