ISTITUTO TECNICO AERONAUTICO STATALE “FRANCESCO … · Meteorologia (UGM) il ruolo di direzione,...

Istituto Tecnico Aeronautico Statale “Francesco Baracca” - Forlì

ISTITUTO TECNICO AERONAUTICO STATALE

“FRANCESCO BARACCA” – FORLI’

METEOROLOGIA AERONAUTICA ED ESERCITAZIONI

DISPENSE DI LABORATORIO DI METEOROLOGIACLASSE TERZA

A cura dei Proff. Antonio Vassura, Iris Tognon, Stefano Marani

Meteorologia Aeronautica ed Esercitazioni – Classe Terza – Dispense di Laboratorio1

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INDICESTAZIONI E STRUMENTI METEOROLOGICI pag. 3

Osservazioni sinottiche pag. 3Organizzazione Meteorologica Mondiale pag. 3Stazione meteorologica pag. 4Strumenti meteorologici pag. 10Capannina meteorologica pag. 12

TERMOMETRI pag. 15Termometri a liquido pag. 15

Termometro ordinario a mercurio pag. 16Termometri a massima pag. 16Termometro a minima pag. 17

Termometri a deformazione pag. 18Termometri elettrici pag. 19Termometri termoelettrici pag. 20Utilizzo dei dati di temperatura pag. 21

BAROMETRI pag. 23Barometri a mercurio pag. 24

barometri a pozzetto pag. 25barometro Fortin pag. 25barometro da stazione a pozzetto fisso pag. 25

scala compensata pag. 26barometro da controllo pag. 29

Cause di errore nei barometri a mercurio pag. 30barometri a sifone pag. 31barometri a pozzetto-sifone pag. 31

Barometri a deformazione pag. 32barometro a capsula pag. 32barometro a tubo di Bourdon pag. 33barometro aneroide da stazione pag. 34barografo aneroide da stazione pag. 35

Ipsometri pag. 36Correzioni e riduzioni barometriche pag. 37

IGROMETRI pag. 43Classificazione degli igrometri pag. 43Igrometro a capelli pag. 44Igrometro a condensazione pag. 45Psicrometro pag. 46

SCHEDE DI APPROFONDIMENTO pag. 48Scheda n.1 – CAPILLARITA' pag. 48Scheda n.2 – EQUAZIONI LINEARI pag. 52Scheda n.3 – RICHIAMI DI TEORIA DEGLI ERRORI pag. 55Scheda n.4 – NONIO O VERNIERO pag. 58

NOTE pag. 60


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OSSERVAZIONI SINOTTICHEL’attenzione al tempo nasce con l’uomo. Nell’antichità l’influenza delle condizioni

meteorologiche sulle attività umane era ancora più rilevante di oggi. I più antichi trattati di meteorologia1 a noi pervenuti sono greci (Aristotele2 e Teofrasto3) e risalgono al IV sec. a.C.

Le osservazioni del “tempo” fatte nell’antichità non potevano avvalersi di strumenti di misura ed erano perciò soggettive. Fino al XVII sec. non si registrano sostanziali miglioramenti. La nascita del pensiero scientifico (e la scoperta della relazione causa-effetto) e l’invenzione degli strumenti di misura consentono l’inizio di osservazioni sistematiche e quantitative delle grandezze fondamentali (temperatura, pressione, vento,stato del cielo, umidità,precipitazioni).

Strumento Data di invenzione InventoreTERMOMETRO 1607 GALILEIBAROMETRO 1643 TORRICELLIANEMOMETRO 1667 HOOKEIGROMETRO A CAPELLI circa 1760 H. DE SAUSSURRE

Dalle prime rilevazioni dei dati emerse la necessità di compilare registri giornalieri e successivamente si iniziò la compilazione di mappe climatologiche.Dall’esame di questi primi dati ci si avvide delle variazioni giornaliere del tempo e della necessità di effettuare osservazioni contemporanee in più stazioni, poiché l’evoluzione del tempo avviene su una scala più ampia dell’area osservabile da una singola stazione.Per capire l’evoluzione del tempo sono quindi necessarie osservazioni fatte nello stesso istante e ripetute a intervalli regolari in un numero sufficientemente grande di stazioni opportunamente dislocate.Da questa esigenza nasce la Meteorologia Sinottica.Analisi sinottica del tempo = Si riportano su una carta geografica le osservazioni meteo effettuate simultaneamente da stazioni installate su una vasta area a distanza definita, per elaborare l’analisi del tempo e per prevedere le sue caratteristiche future.Sinottico = significa “visione d’insieme a un certo istante”Un’analisi sinottica efficace richiede:

• Standardizzazione degli strumenti di misura• Immediata trasmissione dei dati• Adeguata dislocazione e quantità delle stazioni di rilevamento per osservazioni

su scala nazionale/regionale/continentale/emisferica/globaleIl telegrafo (1843) consente di realizzare le prime carte sinottiche giornaliere. Solo nel XX sec., con l’avvento delle telecomunicazioni, dei satelliti, del radar, delle radiosonde, delle stazioni di rilevamento automatico e del computer si creano le condizioni per la realizzazione piena del concetto sinottico.

ORGANIZZAZIONE METEOROLOGICA MONDIALE, OMM(World Meteorological Organization, WMO)

Agenzia ONU con il compito di coordinare, standardizzare e sviluppare l’attività dei servizi meteorologici di tutto il mondoNasce nel 1951 come sviluppo dell’Organizzazione Meteorologica Internazionale (OMI) del 1873. Ha sede a Ginevra (Svizzera). Si articola in: 1 Comitato Esecutivo (a carattere elettivo), 6 associazioni regionali, 8 commissioni tecniche (tra le quali c’è quella di Meteorologia Aeronautica). Tutti gli organi menzionati sono emanazioni del Congresso Meteorologico Mondiale, di cui fanno parte i rappresentanti di tutti gli stati (179) e territori (6) aderenti.Indirizzo internet: http://www.wmo.ch


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Figura 1- Flusso dei dati in un sistema meteorologico

STAZIONE METEOROLOGICAE’ l’elemento fondamentale dell’organizzazione meteorologica. E’ dislocata in località idonea per rilevare e registrare gli elementi meteorologici e per osservare i fenomeni naturali nelle loro reali dimensioni.Può essere ubicata sul continente, su navi, su piattaforme di ricerca, su boe automatiche.In una rete di osservazione organizzata e finalizzata a perseguire scopi specifici di una organizzazione meteorologica, la stazione costituisce una unità fondamentale, i cui compiti concorrono alla realizzazione dell’intero servizio dell’organizzazione stessa.Ogni rete di stazioni è gestita dagli enti di competenza. Ogni stazione ha il compito di misurare i parametri meteorologici e di eseguire osservazioni a vista. I paesi dell’OMM hanno istituito sul proprio territorio un servizio meteorologico nazionale. In Italia esso è affidato al Ministero della Difesa, ovvero all’Aeronautica Militare Italiana; all’ITAV competono gli aspetti operativi, tramite il Servizio Meteorologico dell’Aeronautica. L'attuale organizzazione del Servizio Meteorologico Nazionale ha affidato all'Ufficio Generale per la Meteorologia (UGM) il ruolo di direzione, coordinamento e pianificazione del Servizio Meteorologico dell'Aeronautica Militare. Dall'UGM dipende il CNMCA (Centro nazionale di Metorologia e Climatologia Aeronautica).Per l’Italia il referente dell’OMM è quindi l’AMI, la quale gestisce anche la rete delle stazioni meteorologiche aeronautiche dell’ICAO.Per ottenere informazioni in tempo reale ci si può collegare al sito internet ufficiale del Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare Italiana: http://www.meteoam.itTutte le stazioni effettuano osservazioni strumentali e a vista dei seguenti elementi:

- W/V al suolo e in quota- P atmosferica


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- T dell’aria, di rugiada, massima e minima- Nubi: copertura, tipo, altezza sul suolo- Precipitazioni- Visibilità orizzontale- Tempo presente e passato- Stato del mare- Fenomeni speciali

Le stazioni meteorologiche, in quanto appartenenti a reti diverse si possono suddividere in:• stazioni sinottiche• stazioni non sinottiche

Stazioni sinotticheLe stazioni sinottiche, seguendo le norme dell’OMM e indipendentemente dal luogo in cui sono collocate, rilevano i dati meteorologici simultaneamente e nelle medesime condizioni standard al fine di elaborare l’analisi dello stato del tempo.Dal punto di vista operativo le stazioni sinottiche si possono così classificare:

• stazioni di 1^ Classe o Principali• stazioni di 2^ Classe o Supplementari

Ogni stato ha stazioni di 1^Cl. per la rete internazionale poste a distanza massima di 150 km l’una dall’altra, più altre di 2^Cl. per la rete nazionale. Le stazioni sinottiche di 1^cl. effettuano servizio continuativo, mentre quelle di 2^cl. effettuano servizio dalle 03.00 alle 18.00 UTC4.

Nelle osservazioni sinottiche bisogna seguire determinate indicazioni per avere dati confrontabili, vale a dire:

• per il tempo attenersi agli istanti sinottici,• per i metodi ed il linguaggio da utilizzare attenersi alle regole nella compilazione dei

messaggi stabilite dall’OMMLa rete delle stazioni sinottiche è integrata da stazioni non sinottiche, da stazioni di radiosondaggio, da stazioni radar e da stazioni satellitari.Ore di riferimento dei messaggi:Sono quelle fissate convenzionalmente dall’OMM per l’effettuazione delle osservazioni e dei rilevamenti da parte delle stazioni sinottiche. Tali ore vengono definite ore standard di osservazione e si suddividono in:

• istanti sinottici principali corrispondenti alle ore 00.00-06.00-12.00-18.00 UTC• istanti sinottici intermedi (o secondari) corrispondenti alle ore 03.00-09.00-15.00-21.00

UTCLe ore 00.00 e 12.00 UTC vengono anche chiamate ore sinottiche di base .Le osservazioni vengono effettuate nel corso dei 10 minuti precedenti gli orari standard, ad eccezione della pressione che viene misurata esattamente all’ora standard.Messaggi sinotticiLe stazioni trasformano i dati rilevati in messaggi aventi un formato standard stabilito dall’ OMM. Tra i diversi tipi di messaggi diffusi dalle stazioni abbiamo queste due tipologie di messaggi per le osservazioni sinottiche in superficie:

• messaggi SYNOP, osservazione in superficie di stazione terrestre• messaggi SHIP, osservazione in superficie di stazione marittima

Tali messaggi consentono di disegnare le carte del tempo e descrivere lo stato dell’atmosfera in un certo istante.


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Figura 2 – Classificazione delle stazioni sinottiche

La rete di osservazione gestita dal Servizio Meteorologico dell’Aeronautica comprende 84 stazioni di superficie presidiate da personale, di cui 44 effettuano orario di servizio 24 ore su 24 e 40 effettuano servizio ridotto. Tale rete è integrata dalla rete di Stazioni Automatiche (110 stazioni in totale, di cui 73 già operative) le quali non hanno bisogno di personale, in quanto effettuano automaticamente le registrazioni dei parametri meteo e la compilazione del bollettino di osservazione. Completano la rete di osservazione del Servizio Meteorologico Nazionale 6 stazioni aeronautiche ed una del Servizio Meteorologico Regionale (ARPA) dell’Emilia-Romagna che effettuano anche osservazioni in quota tramite radiosondaggi, in corrispondenza agli istanti sinottici principali.Stazioni non sinotticheHanno scopi e finalità differenti dalle stazioni sinottiche. Sono istituite per soddisfare esigenze specifiche di attività sia private che collettive, nei diversi campi, da quello della ricerca scientifica a quello dello sviluppo economico, della protezione civile, ecc…Sono gestite da Ministeri, Enti nazionali o regionali, e comunque i servizi a cui queste stazioni fanno capo non vanno associati a quelli gestiti dall’OMM o da un suo referente diretto.In Italia, oltre al Servizio Meteorologico dell’Aeronautica che funge da referente nazionale per l’OMM, operano i Servizi Meteorologici Regionali, istituiti da qualche anno con una legge dello stato. Ormai tutte le regioni italiane si sono dotate di un proprio servizio meteorologico, con lo scopo di fornire informazioni e servizi sul territorio, con particolare attenzione ad alcuni settori (agricoltura, protezione civile, ecc…) In Emilia-Romagna opera il Servizio Meteorologico Regionale dell’ARPA, il cui sito internet è

http://www.arpa.emr.it/smr/Tale servizio possiede proprie stazioni di rilevamento sinottiche (che vanno ad integrare la rete di stazioni del Servizio Meteorologico dell’Aeronautica) e non sinottiche. Un esempio rilevante è la stazione di S.Pietro Capofiume (Bologna), che effettua osservazioni sinottiche al suolo ed in quota (costituisce la settima stazione di radiosondaggio presente sul territorio nazionale) e che è dotata anche di un radar meteorologico. Da alcuni anni la stazione è diventata una stazione automatica, senza personale sul luogo, e viene gestita in remoto dal centro del SMR di Bologna.


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Ecco un elenco (anche se parziale), con gli indirizzi internet, di alcuni degli altri Servizi Meteorologici Italiani attualmente operanti:

Servizio Agrometeorologico Regionale per la Sardegna http://www.sar.sardegna.it/Centro Meteo-Idrologico della Regione Liguria http://www.cmirl.ge.infn.it/ARPAV Regione Veneto http://www.arpa.veneto.it/meteo.htmServizio Meteorologico Regionale Lombardia http://www.arpalombardia.it/meteoCentro Operativo di Agrometeorologia Regione Marche http://meteo.regione.marche.it/assam/Osservatorio Meteorologico RegionaleARPA Friuli-Venezia Giulia

http://www.osmer.fvg.it/

Le stazioni non sinottiche sono così classificate:• Aeronautiche: forniscono le informazioni necessarie per la navigazione aerea e per

l’assistenza alla navigazione aerea, secondo le specifiche ICAO• Per l’agricoltura: forniscono informazioni utili al miglioramento ed all’ottimizzazione

delle tecniche agricole• Climatologiche: scelte tra le stazioni sinottiche con serie storiche di almeno trent’anni,

forniscono i valori di uno o più parametri meteorologici per le elaborazioni statistiche finalizzate allo studio del clima

• Speciali: rilevano particolari parametri meteorologici utili per l’idrologia, la fisica dell’atmosfera, lo studio dei cambiamenti climatici, ecc… (*)

Una stazione non sinottica può appartenere a più di una categoria. Taluni campi di ricerca possono essere affidati sia a stazioni sinottiche che non sinottiche contemporaneamente, e vi è una continua interazione tra le diverse categorie di stazioni per soddisfare esigenze della collettività.

Fig. 3 - Andamento verticale di temperatura in Atmosfera Standard ICAO (Doc 7488)

(*) Alcuni dei parametri osservati nelle stazioni speciali sono ad esempio: l’elettricità atmosferica, le nubi e le idrometeore mediante rilevamenti radar, i dati idrologici, la radiazione solare, l’ozono, l’anidride carbonica ed altri componenti variabili dell’atmosfera, i dati relativi alla micrometeorologia, ecc…


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Le stazioni specialiEffettuano misure con strumenti particolari (ad esempio misure relative alla chimica dell'atmosfera). Sono inserite nel programma Global Atmosphere Watch (GAW) dell’OMM. L’OMM ha pianificato il Programma di Ricerca Atmosferica e Ambiente (Atmospheric Research and Environment Program, AREP) di cui il GAW è uno dei sottoprogrammi principali, nato nel 1989 per lo studio del clima e per verificare eventuali modifiche significative causate dall’attività umana. Ha lo scopo di descrivere e studiare lo stato e l’evoluzione dell’atmosfera integrando le misure delle grandezze meteo standard già eseguite nel programma WWW (World Weather Watch) con:• Misure della composizione chimica dell’atmosfera• Caratteristiche fisiche connesse alla composizione chimica.Oggi nel mondo 78 nazioni collaborano al progetto GAW con circa 400 stazioni, dotate di laboratori chimici, di archivi per la conservazione e la distribuzione dei dati a livello mondiale.In Italia le stazioni sono gestite dal Servizio Meteorologico dell’Aeronautica: 8 sono quelle che seguono le specifiche del GAW, mentre altre 38 rilevano la radiazione solare (radiazione solare totale e durata del soleggiamento) con piranometri5 ed eliofanografi6 .

Fig.4 – Andamento diurno della radiazione solare nella stazione meteorologica dell'I.T.Aer. Forlì

Un esempio di stazione speciale è costituito dalla stazione di Monte Cimone (m. 2170), gestita dal Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare Italiana. Questa stazione è una delle 123 stazioni nel mondo (di cui 14 mobili) che effettuano misure continue della concentrazione di anidride carbonica atmosferica. La serie temporale di queste misure, cominciate nel 1979, è la più lunga registrazione continua disponibile per tutta l’area del mediterraneo (vedi fig.5).Per ulteriori informazioni si può visitare il sito internet del World Data Centre for Greenhouse Gases (WDCGG, http://gaw.kishou.go.jp/wdcgg.html) che pubblica i dati delle misure effettuate nelle diverse stazioni. Nella stazione di Monte Cimone ha sede anche il laboratorio scientifico “O.Vittori” appartenente all’Istituto ISAC-CNR, dove vengono effettuate indagini scientifiche di vario genere per lo studio della fisica dell’atmosfera (ad esempio misure di concentrazione di componenti atmosferici minori, di proprietà del pulviscolo atmosferico, ecc..). L’indirizzo internet del laboratorio “O.Vittori” è:

http://www.isao.bo.cnr.it/~cimone


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http://gaw.kishou.go.jp/wdcgg.html

http://www.isao.bo.cnr.it/~cimone


Figura 5 – Andamento della concentrazione di Anidride Carbonica nella stazione di Monte Cimone

Nel Congresso OMM tenuto nel 2001 è stato deciso un ulteriore sviluppo del GAW nel periodo 2001-2007, con particolare riguardo ai seguenti punti:• Gestione dati• Attività dei satelliti• La rete di stazioni GAW• Cooperazione tra i diversi programmi e le organizzazioni operanti• Comunicazioni tra i diversi componenti del GAW

Programma di Meteorologia Aeronautica del WMONel Gennaio 2001 214 terminali disseminati per il mondo hanno ricevuto le trasmissioni via satellite del WAFS (World Area Forecast System) in 156 paesi; attualmente la maggior parte dei RAFC affiancano i WAFC.Il numero di osservazioni da aa/mm disseminate dal GTS (Global Telecommunication System) è passato da 50000 osservazioni al giorno nel 1998 ad oltre 100000 alla fine del 2000Il Congresso Meteorologico Mondiale ha approvato l’allineamento delle Regole Tecniche dell’OMM con l’emendamento 72 all’Annesso 3 ICAO.


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STRUMENTI METEOROLOGICICi occuperemo di studiare in dettaglio i seguenti strumenti:

TermometriBarometriIgrometriPluviometri Anemometri

Gli strumenti in base al tipo di informazione fornita si possono suddividere in strumenti indicatori e strumenti registratori.Strumenti indicatoriConsentono la lettura del valore di una grandezza fisica limitatamente al momento dell’osservazione e comunque indicano un unico valore. A seconda del principio di funzionamento possono consentire di effettuare letture a misura diretta oppure letture a misura indiretta.Strumenti registratoriConsentono di misurare il valore di una grandezza fisica con continuità, cioè forniscono la variazione della grandezza fisica al trascorrere del tempo.Si compongono di:1. elemento sensibile: è il dispositivo che effettua la misura;2. sistema di amplificazione: le elongazioni o deformazioni dell’elemento sensibile (proporzionali

alla misura della grandezza fisica) vengono amplificate da un sistema di leve;3. gruppo di registrazione: le deformazioni o elongazioni così amplificate sono trasmesse a un

sistema di registrazione che può consistere in un pennino scrivente su una cartina di registrazione posta su un tamburo rotante mosso da un congegno a orologeria.

A seconda del tipo di informazione fornita gli strumenti si possono poi suddividere ancora in analogici e digitali.

Caratteristiche fondamentali degli strumentiGli strumenti meteorologici sono caratterizzati dalle seguenti caratteristiche: sensibilità, precisione, prontezza.• sensibilità: è lo scarto minimo apprezzabile sulla scala dello strumento;• precisione: è la capacità di uno strumento di effettuare un misura affetta da un errore

(imprecisione) il più piccolo possibile. Dipende dalla bontà di costruzione dello strumento. Il grado di precisione deve essere almeno dello stesso ordine di grandezza della sensibilità;

• prontezza: è la rapidità con cui l’indice di misura si porta a collimare sul valore effettivo della grandezza da misurare in base alla graduazione della scala.

Requisiti degli strumentiLe caratteristiche costruttive degli strumenti devono inoltre soddisfare i seguenti requisiti:

• accuratezza di costruzione• facilità e regolarità di funzionamento• facilità di impiego e lettura• solidità costruttiva e garanzia di durata• limitata necessità di manutenzione

Errori di misuraIn genere fare una misura significa stabilire una certa coincidenza o collimazione fra il limite raggiunto da un elemento sensibile e una determinata graduazione (scala di riferimento). Alcuni tipi di


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errori possono essere evitati adottando comportamenti idonei o accorgimenti particolari (errore di parallasse) oppure possono essere corretti tramite apposite tabelle o formule (errore strumentale).Errore di parallasse:osservando la posizione dell’indice rispetto alla scala, l’osservatore può essere indotto a leggere un valore diverso sulla scala a seconda della posizione da lui stesso assunta (vedi fig.6). CORREZIONE:• Assumere una posizione corretta davanti allo strumento• Costruire lo strumento con accorgimenti tali da indurre l’osservatore a posizionarsi correttamente

(indice a coltello, scala incisa su superficie speculare riflettente l’immagine dell’indice)

Fig.6 - Errore di parallasse

Errore strumentale:è frequente il caso in cui i valori misurati differiscano di un valore costante lungo tutta la scala rispetto al valore reale della grandezza da misurare. Si tratta cioè di uno sfasamento costante dei valori della scala.CORREZIONE:

• Se possibile, traslare la scala in modo da annullare l’errore strumentale• Introdurre in ogni lettura la correzione strumentale, uguale in modulo ma opposta in segno all’errore strumentale

L’errore strumentale potrebbe essere non costante lungo la scala. E’ segno che intervengono diversi fattori non sempre facilmente identificabili e, quindi, non facilmente eliminabili. Se tuttavia l’errore varia proporzionalmente ai valori della scala è segno che si tratta di un errore di amplificazione, generalmente eliminabile agendo sulle leve e i bracci di amplificazione.Errore assoluto:E’ l’incertezza con la quale è nota una grandezza fisica. Determina l’intervallo all’interno del quale si colloca il valore vero di una grandezza fisica.Errore relativoE’ la percentuale di incertezza con la quale è nota una grandezza fisica. Si determina dividendo l’errore assoluto per il valore della grandezza fisica.


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CAPANNINA METEOROLOGICAFu introdotta più di un secolo fa dall’inglese Stevenson. Fu ideata per proteggere i termometri, ma in seguito vi furono collocati gli altri strumenti meteorologici per misure di routine (vedi fig.10).L’esposizione e le sue caratteristiche devono essere tali da consentire misure che rispecchino le reali condizioni atmosferiche, in primo luogo quelle termiche. In meteorologia è fondamentale la misura della temperatura dell’aria e nell’aria il principale meccanismo che conduce all’equilibrio termico è la convezione, mentre è quasi nulla la conduzione essendo l’aria un isolante termico pressoché perfetto. E’ inoltre trascurabile l’irraggiamento sulla superficie dell’elemento sensibile. La capannina meteorologica deve avere la minima capacità termica, ovvero limitare al massimo l’assorbimento di calore. Affinché gli scambi convettivi non siano alterati dall’irraggiamento (solare, terrestre, da luce diffusa, ecc…) occorre proteggere i termometri con schermature (ad esempio la capannina) e garantire una buona ventilazione (4-5 m/s circa e non più di 15 m/s per non creare calore per attrito) ai bulbi dei termometri. Anche se non permette di evitare completamente l’irraggiamento dovuto all’esposizione al sole, la capannina ha l’ulteriore funzione di proteggere gli strumenti dalle precipitazioni.La capannina meteorologica è quindi l’installazione che consente un idoneo posizionamento degli strumenti meteorologici, in modo da effettuare correttamente le misure di temperatura e umidità dell’aria.Per “ misurazione corretta” si intende una rilevazione che fornisca un valore della grandezza fisica che sia il più vicino possibile a quello vero. In altri termini, la misura non deve essere perturbata dall’influenza di fattori estranei.

Strumenti della capannina• PSICROMETRO• TERMOMETRO A MASSIMA• TERMOMETRO A MINIMA• TERMOIGROGRAFO (oppure TERMOGRAFO e IGROGRAFO)• BAROGRAFO• PLUVIOGRAFO

Il pluviografo generalmente viene inserito in capannina per comodità di osservazione e installazione, ma potrebbe essere opportunamente posizionato altrove.

Caratteristiche costruttive e posizionamento della capannina- Per mitigare l’irraggiamento del suolo, il terreno sottostante va coltivato a prato per circa 12 m2.- La temperatura al suolo va rilevata ad un’altezza compresa tra 1,25 e 2,00 m. L’altezza sinottica è

per convenzione 1,50 m, per le stazioni aeronautiche 1,80 m perché più rappresentativa per un aeromobile al suolo; se il luogo è soggetto a forti nevicate l’altezza della base della capannina va maggiorata.

- Per evitare l’irraggiamento degli oggetti circostanti essa va posta in aria libera, lontano da ostacoli laterali, ad una distanza di almeno 4 volte l’altezza dell’ostacolo più vicino.

- Le dimensioni variano a seconda delle esigenze locali e delle condizioni climatiche, ma in generale essa è costituita da quattro montanti, ha la forma di un parallelepipedo, è costruita con legno (solitamente larice).

- Poiché il legno è igroscopico la capannina va impermeabilizzata con una vernice chiara per assorbire la minima quantità di radiazione.

- Per favorire la circolazione dell’aria e mantenere se possibile la stessa temperatura dell’aria, le pareti devono essere a gelosia o persiana, il tetto a doppio strato ed il fondo ad assi sfalsate.


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- Per evitare che durante la lettura dei termometri il sole li colpisca direttamente è necessario che nell’emisfero Nord il portello d’accesso sia rivolto a Nord, nell’emisfero Sud sia rivolto a Sud, mentre ai tropici occorrono due portelli per le differenti stagioni.

- Nelle zone molto ventose occorre “controventare” la capannina con tiranti in acciaio.- La manutenzione della capannina è semplice: riverniciarla ogni due anni almeno, lavarla con acqua

e sapone una volta all’anno

Riassumendo, la capannina meteorologica presenta le seguenti principali caratteristiche: • Gabbia in legno con pareti a persiana • Gabbia verniciata in colore chiaro, con vernice non igroscopica• Gabbia sorretta da montanti a circa 1,5-2 m dal suolo• 1 parete apribile a modo di sportello (quella rivolta a Nord nell’emisfero settentrionale)• Tetto a spiovente• Collocata su terreno erboso piano di almeno 12 m2

• Lontana da edifici, alberi, pendii scoscesi, voragini, scogliere

Modalità di osservazioneIl rilevamento deve essere fatto nel più breve tempo possibile per evitare che il calore irradiato dal corpo dell’osservatore o il suo respiro possano influenzare gli elementi sensibili degli strumenti.L’errore è tanto maggiore quanto più gli strumenti sono pronti e sensibili.

Errore di capanninaLaddove è ancora in uso la capannina meteorologica occorre osservare che, nonostante la sua semplicità, il suo uso non è immune da errori di misura nei casi seguenti:• in caso di esposizione diurna con scarsa ventilazione (calma di vento, v<1 kt) e forte insolazione i

termometri sono sottoposti ad aria di temperatura più elevata di quella esterna (errore di +1,5 °C). Tale problema non sussiste se la velocità dell’aria è ≥ 5 m/s. Inoltre in capannina i termometri (ed in particolare quello a bulbo asciutto) dello psicrometro sono forzatamente ventilati, quindi attendibili.

• In caso di pioggia la capannina resta impregnata d’acqua per un certo tempo e l’aria all’interno è ricca di vapore per le gocce di pioggia che si depositano sulle persiane ed evaporano, pertanto l’indicazione di umidità relativa (Ur) dell’igrografo è falsata.

• Di notte con il suolo coperto di neve o sabbia il raffreddamento dell’aria è massimo perché il suolo resta più freddo dell’aria, irraggiando come un corpo nero nell’infrarosso. I termometri danno 2 o 3°C in meno della temperatura reale.

La misura di temperatura più corretta è quindi quella che si ottiene con cielo coperto e adeguata ventilazione degli strumenti all’interno della capannina. In caso contrario occorre tenere conto del così detto errore di capannina, che normalmente ha il seguente valore:

+ 1,5° C con cielo sereno, sole, calma di vento- 0,5° C in notte di cielo sereno

Strutture alternative alla capannina meteorologicaPer misure non sinottiche si può adottare come soluzione di ripiego, ed in mancanza di strutture più idonee, la gabbia da finestra (fig 7), cioè un cilindro metallico, speculare o bianco, a doppia parete con intercapedine d’aria ed una finestrella per accedere agli strumenti, ed infine una piccola cappa a doppio cono per proteggere gli strumenti dalle precipitazioni. Una copertura a persiana protegge il cilindro ed un braccio mobile lo mantiene alla giusta distanza dal muro.

In molte stazioni sinottiche automatiche si adotta, per la protezione degli strumenti il cosiddetto auto-set-screen (schermo-custodia) (fig.8), un apparecchio per lo schermaggio e la protezione dei sensori per le misure meteorologiche al suolo, con forma simile ad un fungo. Tale apparecchiatura è costituita da:


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• due calotte coassiali per lo schermaggio degli strumenti dalla radiazione solare e dalle precipitazioni (calotta superiore) e per lo schermaggio della radiazione dal suolo (calotta inferiore);

• una camera di misura contenente i sensori che si orienta automaticamente nella direzione del vento, così gli strumenti sono ventilati;

• un montante che può scorrere lungo il proprio asse verticale a seconda della copertura del suolo e che può essere comandato a distanza;

• un sistema di aspirazione dell’aria che si attiva con ventilazione blanda, sotto i 5 m/s;• un sistema di registrazione (analogico o digitale).

Compiti dell’osservatore• Cura degli strumenti;• Cambio periodico delle cartine degli strumenti registratori;• Esecuzione delle osservazioni sinottiche e/o climatologiche con la dovuta accuratezza;• Codifica e diffusione delle osservazioni;• Eseguire le registrazioni settimanali e/o mensili dei dati climatologici.

Figura 7 – Gabbia da finestra Figura 8 – Auto-set-screen

Fig. 9 – Stazione meteorologica automatica dell'I.T.Aer. Forlì Fig.10 – Capannina meteorologica tradizionale


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TERMOMETRILa temperatura al suolo non è generalmente né uniforme né costante nel tempo. Ciò causa una distribuzione della densità non uniforme all’interno della troposfera, con conseguenti gradienti barici orizzontali che sono la causa primaria del “tempo atmosferico”.La temperatura influisce anche sulla quantità di vapore eventualmente contenibile in una massa d’aria e sui passaggi di stato che in essa si potrebbero verificare.Principi di funzionamento dei termometriI principi fisici su cui si basa il funzionamento dei termometri sono:

• Dilatazione termica dei corpi (gas, liquidi, solidi) al variare della temperatura• Variazione di resistenza elettrica di conduttori e semiconduttori al variare della temperatura• Trasformazione di energia termica in energia elettrica (pinze termoelettriche)

Classificazione dei termometriIn base al principio di funzionamento, i termometri usati in meteorologia si possono suddividere in:

• TERMOMETRI A LIQUIDO E A GASUsati per misurare i valori istantanei della temperatura e impiegati in laboratorio per tararestrumenti scientifici

• TERMOMETRI A DEFORMAZIONEUsati in genere come elemento sensibile negli strumenti registratori analogici

• TERMOMETRI ELETTRICIUsati negli strumenti digitali e nelle osservazioni a distanza od in quota.

TERMOMETRI A LIQUIDOI termometri a liquido generalmente impiegano come elemento sensibile il mercurio o i liquidi organiciTermometri a mercurioUtilizzano come liquido termometrico il mercurio. Questa sostanza presenta i seguenti vantaggi:

• segue una legge di dilatazione termica lineare simile a quella dei gas• ha una opacità che consente una facile visualizzazione all’interno del capillare7

• non bagna il vetro, per cui si possono usare cannelli a sezione capillare, favorendo così laprontezza e la leggibilità dello strumento

• ha una grande conducibilità termica che favorisce la prontezza dello strumento• è liquido nell’intervallo di temperatura -38°C/+357°C circa. • la sua temperatura di solidificazione può essere abbassata a –58°C usando una miscela di

tallio8 e mercurio.Termometri a liquido organicoUtilizzano come elemento sensibile (liquido termometrico) sostanze quali l’alcool (etilico,metilico, amilico), toluene, pentano, ecc... Queste sostanze presentano i seguenti vantaggi:

• hanno un coefficiente di dilatazione termica circa 10 volte maggiore di quello del mercurio. Ciò consente l’impiego di canne termometriche a sezione larga

• la loro temperatura di solidificazione è molto bassa, per cui si possono misurare temperature fortemente negative

CARATTERISTICHE DEI PRINCIPALI LIQUIDI TERMOMETRICILIQUIDO

TERMOMETRICOTEMPERATURA DI

FUSIONE (°C)TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE (°C)

Coefficiente di dilatazione a 0°C (°C-1)

Mercurio -38.8 +356.9 0.00018Alcool etilico -117.3 +78.5 0.00106Toluene -95.1 +110.5 0.00096Pentano -131.5 +36.2 0.00095


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TERMOMETRO ORDINARIO A MERCURIOE’ costituito da un bulbo pieno di mercurio unito a uno stelo comprendente un tubo a sezione capillare, entro il quale il mercurio si innalza o si abbassa a causa della variazione di volume del mercurio contenuto nel bulbo (vedi fig.11). Sullo stelo è riportata la scala graduata di misurazione. Nel capillare, al di sopra del mercurio, viene fatto il vuoto, per impedire eventuali ossidazioni del mercurio e depositi sulla superficie del menisco. La rilevazione della temperatura viene eseguita leggendo il valore della scala graduata in corrispondenza dell’altezza del menisco del mercurio. La lettura deve essere rapida in modo da limitare al minimo l’influenza del calore del corpo e del fiato dell’osservatore. Va evitato l’errore di parallasse. In capannina sono presenti due termometri ordinari, montati verticalmente a costituire lo psicrometro. Essi consentono sia la misura della temperatura dell’aria che, indirettamente, l’umidità.

Fig.11 Termometro ordinario a mercurio Fig.12 Termometro a massima a strozzatura

TERMOMETRI A MASSIMATermometro a strozzaturaE’ un termometro a mercurio che presenta una strozzatura fra il bulbo e il capillare (vedi fig.12).Quando la temperatura aumenta, il mercurio presente nel bulbo si dilata e la pressione sviluppata ne spinge una parte nel tubo capillare.Quando la temperatura diminuisce, il mercurio si contrae ma la parte rimasta nel tubo capillare non riesce a scendere a causa della presenza della strozzatura. Infatti l’effetto di capillarità, la forza di coesione molecolare del mercurio all’altezza della strozzatura e la forza di gravità non sono sufficienti a trascinare indietro il mercurio rimasto nel tubo capillare.In tal modo la colonna di mercurio rimasta nel tubo capillare indica la temperatura massima raggiunta.Per predisporre il termometro a una nuova misurazione occorre forzare il mercurio rimasto oltre la strozzatura a rientrare nel bulbo, centrifugandolo opportunamente, a mano.


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Termometro a sbarretta E’ un termometro a mercurio nella cui canna capillare viene inserita una minuscola sbarretta, posizionata oltre il menisco del mercurio(vedi fig.13).All’aumentare della temperatura, il menisco del mercurio spinge in avanti la sbarretta lungo il capillare. Al diminuire della temperatura, la colonna di mercurio si ritira, lasciando la sbarretta nella posizione precedentemente raggiunta.E’ fondamentale che il termometro sia mantenuto in posizione orizzontale, per evitare che la forza di gravità sposti la sbarretta.La temperatura massima va letta sulla scala in corrispondenza dell’estremità della sbarretta che si trovava a contatto col menisco del mercurio.Per predisporre il termometro per una nuova misurazione bisogna riportare la sbarretta a contatto con il menisco del mercurio. Ciò si può ottenere inclinando il termometro oppure usando una calamita, se la sbarretta è costruita con un materiale ferroso

Figura 13 – Termometro a sbarretta

TERMOMETRO A MINIMAE’ un termometro che consente di misurare la minima temperatura raggiunta in un determinato intervallo di tempo.

Fig.14 – Termometro a minima

Poiché la temperatura minima può raggiungere valori fortemente negativi, la temperatura di solidificazione del liquido termometrico deve essere la più bassa possibile e quindi è necessario fare uso di liquidi organici.Ciò comporta:

● I liquidi organici bagnano le pareti, per cui il menisco è concavo ed è necessario usare canne termometriche non capillari (sezione larga) per evitare la risalita del liquido per capillarità.

● L’adozione di una canna termometrica a sezione larga comporta la presenza di una massa di liquido relativamente elevata rispetto al termometro a mercurio. Ciò va a discapito della prontezza e comporterebbe anche una minore visibilità della dilatazione termica del liquido nella canna termometrica, se questo effetto negativo non fosse compensato dal fatto che il coefficiente di dilatazione termica dei liquidi organici è circa 10 volte maggiore di quello del mercurio.

Poiché la sezione è larga, in seno alla colonna del liquido organico viene introdotta una barretta leggera, in genere di vetro, a forma di doppio T che, nella fase regressiva, viene trascinata indietro


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dalla tensione superficiale del menisco e quindi lasciata nel punto di minimo quando l’alcool comincia a dilatarsi nuovamente per effetto di un aumento di temperatura (vedi fig.14).La temperatura minima si legge sulla scala in corrispondenza dell’estremità della sbarretta che era stata a contatto col menisco.Durante la misura il termometro a minima va tenuto in posizione quasi orizzontale per evitare che la sbarretta venga spostata dalla forza di gravità o dalle sollecitazioni causate durante l’apertura o la chiusura dello sportello della capannina.Per effettuare una nuova misura occorre riposizionare la sbarretta a contatto con il menisco:

• se la sbarretta è di materiale ferroso si usa un magnete• se la sbarretta non è in materiale ferroso si inclina opportunamente il termometro col bulbo

verso l’alto.Dato che la massa del liquido termometrico (alcool) è relativamente grande, per favorire la prontezza il bulbo è di forma tale da aumentare il più possibile la superficie di scambio termico. Perciò la forma del bulbo è schiacciata a forcella o a spirale, in quanto queste forme presentano una superficie maggiore di quella della sfera, a parità di volume.Dato che l’alcool è incolore, per migliorare la sua visibilità esso viene colorato artificialmente. Tuttavia le sostanze coloranti possono produrre effetti indesiderati, in quanto possono precipitare nel bulbo (riducendone la capacità utile) o aderire alle pareti (riducendone la sezione). Tali inconvenienti vanno a scapito della precisione.Possibile causa di errore in questo tipo di termometri è l’evaporazione del liquido organico che, date le sue caratteristiche, può avvenire a temperature relativamente basse. In tal caso l’entità dell’errore può essere anche di 3° C. Il fenomeno di evaporazione è manifestato dalla presenza di minutissime goccioline di liquido sulle pareti della canna, al di sopra del menisco. Per eliminare questa causa di errore, si scalda lentamente il bulbo immergendolo in acqua tiepida, fino a quando l’aumento di temperatura porta il liquido a salire nella canna e ad assorbire le goccioline. Anche il raffreddamento deve essere fatto altrettanto lentamente, per evitare che le goccioline si riformino.Per contrastare l’evaporazione del liquido organico, al di sopra della colonna di liquido i termometri a minima non hanno il vuoto, ma contengono una certa quantità di aria o di gas inerte a pressione superiore a quella atmosferica. Con i termometri a liquido organico si possono misurare temperature molto basse, anche fino a oltre –100° C.

TERMOMETRI A DEFORMAZIONETermometro a tubo di BourdonE’ un termometro a liquido in contenitore metallicoL’elemento sensibile è costituito da un tubo metallico a sezione appiattita, curvato ad arco di cerchio e totalmente riempito di alcool etilico o altro liquido organico (vedi fig.15).

Fig.15 – Termometro a tubo di Bourdon


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I metalli più usati sono l’ottone, il bronzo, l’acciaio, o leghe quali l’alpacca.Poiché il coefficiente di dilatazione volumetrica del liquido organico risulta da 20 a 50 volte superiore a quello dell’involucro, al variare della temperatura la pressione interna causa la deformazione del tubo e quindi la variazione del suo raggio di curvatura.Se una estremità del tubo è vincolata e l’altra è collegata a un indice mobile (tramite ruotismi e leve di amplificazione), si può ottenere l’indicazione della temperatura su una scala preventivamente tarata oppure la registrazione delle variazioni di temperatura nel tempo.Il sistema a tubo di Bourbon trova larga applicazione come elemento sensibile nei termografi (vedi fig. 16). Il sistema ha scarsa prontezza e deve essere frequentemente registrato per confronto con un termometro ordinario .

Fig.16 – Termografo a tubo di Bourdon Fig.17 – Lamina bimetallica elicoidale

Termometri a lamina bimetallicaQuesti termometri si basano sulla dilatazione di lamine di metallo con l’aumentare della temperatura, secondo legge di dilatazione lineare:

l = l0 + ∆l = l0 + l0λt = l0 (1 + λt)

Il principio di funzionamento si basa sul diverso coefficiente di dilatazione termica λ di due lamine metalliche di diversa natura che, se saldate l’una sull’altra, costituiscono una bilamina piana.Quando la temperatura aumenta, la bilamina piana subisce dilatazioni diverse sulle due facce e quindi si incurva con concavità dalla parte del metallo con coefficiente di dilatazione minore.Una estremità della bilamina è vincolata e l’altra è collegata a un indice mobile (tramite ruotismi e leve di amplificazione), in modo tale che sia possibile ottenere l’indicazione della temperatura su una scala preventivamente tarata, oppure la registrazione delle variazioni di temperatura nel tempo mediante un apparato di registrazione.La scelta dei metalli va fatta principalmente in base alla diversità dei coefficienti di dilatazione.I metalli più usati sono:

• acciaio, ottone, rame, con coefficienti di dilatazione variabili fra 10x10-6 °C-1 e 20x10-6 °C-1

• invar9 (acciaio con 36% di nichel10), con coefficiente di dilatazione inferiore a 10-6

Lo spessore della bilamina varia fra 0.1mm e 1mm, la larghezza varia da 2mm a 30mm.La forma della bilamina è molto varia: a bilamina piana, a cilindro aperto, a spirale, ad elica (vedi fig.17).La precisione dipende dall’accuratezza di costruzione. Con opportuni accorgimenti la precisione può arrivare al centesimo di grado.Il sistema a lamina bimetallica trova larga applicazione nei termografi, piranografi e termostati.


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TERMOMETRI ELETTRICITermometri a resistenza elettricaNei materiali conduttori di corrente la resistenza elettrica varia in funzione della temperatura secondo la legge:

RT = R0 (1 + aT + bT2)

dove:RT = resistenza alla temperatura TR0 = resistenza alla temperatura T = 0 °Ca = 1° coefficiente di variazione termica (nei metalli: a = 3 ÷ 6x10-3)b = 2° coefficiente di variazione termica (nei metalli: b = 10-5 ÷ 10-6)

Ne consegue che nei metalli vale la seguente relazione:

bT2 << aT

per cui la legge di variazione della resistenza nei metalli si può scrivere nella forma lineare 11 :

RT = R0 (1 + aT)

Poiché la resistenza dipende dalla temperatura in modo lineare, una resistenza percorsa da corrente elettrica può essere usata come strumento misuratore di temperatura. Infatti, al variare della temperatura varia linearmente la resistenza elettrica e, quindi, l’intensità di corrente che percorre il circuito (secondo la legge di Ohm).Come strumento di misura si usa un amperometro con la scala opportunamente tarata in gradi anziché in ampere.CaratteristicheUtilizzando termometri elettrici si può quindi usufruire delle seguenti caratteristiche:

• possibilità di trasmettere la misura a distanza• sensibilità dell’ordine di grandezza del centesimo di grado• elevata prontezza• precisione dipendente dalla purezza del metallo usato per costruire la resistenza

Campi di impiegoGli usi meteorologici fino ad un paio di decenni orsono erano generalmente limitati alle radiosonde, mentre per gli usi normali venivano preferiti termometri a liquido o a deformazione, più pratici e maneggevoli e che richiedevano meno manutenzione. Negli ultimi anni, in particolare nelle centraline automatiche di rilevamento, si sta diffondendo l’uso dei termometri a resistenza elettrica, anche grazie al perfezionamento delle tecniche costruttive.TermistoriSi chiamano “semiconduttori” particolari sostanze che in condizioni normali non sono conduttrici di corrente elettrica (cioè hanno resistenza infinita), ma possono diventarlo a seguito di opportuni trattamenti. Sono semiconduttori anche elementi semplici quali il silicio, il carbone ed il germanio, impiegati nel campo delle temperature relativamente basse, dopo opportuni trattamenti.Vengono chiamati “termistori” alcuni particolari semiconduttori costituiti da ossidi metallici isomorfi a molecola complessa, quali le ceramiche, trattate con azoto liquido a –200°C.La loro conduttività può essere aumentata con trattamenti di ossido-riduzione, in modo che la resistenza elettrica cambi al variare della temperatura. Tale dipendenza non è lineare in tutto il campo delle temperature, ma lo è nel campo delle temperature aerologiche ( +40°C / -90°C ).Inoltre alle basse temperature la sensibilità termica è molto elevata.Per tali caratteristiche i termistori trovano impiego ottimale nelle radiosonde e nelle stazioni di rilevamento automatico.


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TERMOMETRI TERMOELETTRICII termometri termoelettrici sono conosciuti anche con il nome di:

TERMOCOPPIA – COPPIA TERMOELETTRICA – PINZE TERMOELETTRICHEQuando due conduttori metallici diversi sono saldati fra loro in modo da formare un anello chiuso, ciascuna saldatura costituisce una “termocoppia”.Se una termocoppia è tenuta a una temperatura diversa dall’altra, nel circuito circola corrente elettrica la cui intensità è proporzionale alla temperatura, secondo la legge:

E = aT + bT2

dove:E = forza elettromotricea = 1° coefficiente di variazione termicab = 2° coefficiente di variazione termica

Nel campo delle temperature meteorologiche è b<<a per cui il termine in T2 è trascurabile e la precedente equazione si può scrivere in forma lineare:

E = aTCome strumento di misura si usa un amperometro con la scala opportunamente tarata in gradi anziché in ampere.Le coppie di metalli più usati sono:

- rame/costantana12

- manganina13/costantana- cromel14/alumel15

che sviluppano f.e.m. dell’ordine di grandezza di 50 µV/°C.Il più grande vantaggio offerto dalla termocoppia deriva dalle dimensioni estremamente ridotte dell’elemento sensibile (ad esempio costituito da 2 fili di diametro di 0.1 mm), che quindi presenta una prontezza praticamente immediata.


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UTILIZZO DATI DI TEMPERATURATermogrammaSi chiama termogramma la curva di registrazione della temperatura ottenuta tramite un termografo sull’apposita carta diagrammata.Temperatura media giornalieraSi può calcolare sommando i valori della temperatura nei 24 istanti delle ore intere e poi dividendo per 24. I valori di temperatura possono essere ricavati dal termogramma oppure osservati direttamente.Il valore così determinato si definisce temperatura media vera (tmv).

t mv=t 1t 2t 3. . . . . t 24

24

A questo procedimento, un tempo laborioso, si può sostituire il calcolo della temperatura media utilizzando solo poche osservazioni giornaliere. Si usano formule empiriche che forniscono valori di tm che si discostano solo di pochi decimi di grado dalla tmv :

Europa Centrale t m=t7t14t21t21

4

Italia tm=t8t19tmaxtmin

4Temperatura media mensile: è la media delle tm di tutte le giornate del mese.Temperatura media annuale: è la media delle t m di tutti i mesi dell’anno.Valore normale della temperaturaIl valore normale della temperatura media giornaliera è la media dei valori medi giornalieri di un dato giorno, calcolato su un periodo di 30 – 50 anni.Con procedimento analogo si calcolano i valori normali decadali, mensili, annuali.I valori normali giornalieri, decadali, mensili e annuali hanno grande importanza perché mettono in evidenza le variazioni periodiche della temperatura, anche se tali valori non possono essere considerati completamente esenti dall’influenza delle variazioni irregolari.Valori anomaliUn evento si dice eccezionale quando si verifica una volta ogni 50 – 100 anni.Un evento si dice al di fuori della norma quando si verifica ogni 10 – 20 anni.Esempio: a Milano il 23.01.1952 si registrò una t = -17,2 °C


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ESERCIZIO

SETTIMANA 16 – 22 GIUGNO (Temperature in ° C)16

Tmax Tmin T8 T19 Tmed

Lunedì 16 30.5 18.5 20.0 26.0 23.8Martedì 17 29.5 18.0 20.5 22.0 22.5

Mercoledì 18 32.0 17.0 19.0 28.5 24.1Giovedì 19 28.0 18.5 21.5 27.5 23.9Venerdì 20 32.5 18.0 21.0 29.5 25.3Sabato 21 33.0 17.5 22.5 31.0 26.0

Domenica 22 36.0 20.0 24.0 33.5 28.4

ESCURSIONE TERMICA DIURNA 17 GIUGNO:

Tmax - Tmin = 29.5 °C - 18.0 °C = 11.5 °C

Valori di temperatura rilevati ogni 2 ore (giorno 17 Giugno)ORA T

00 19.0

02 19.0

04 19.0

ORA T

06 18.0

08 20.5

10 23.0

ORA T

12 25.5

14 28.5

16 26.5

ORA T

18 22.0

20 21.0

22 19.0


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BAROMETRI

Principi di funzionamento:

Calcolo della forza che equilibra la pressione atmosferica(Si misura l’altezza del liquido della colonna barometrica o il peso del liquido)

Barometri a mercurio:barometri a pozzetto(Fortin, da stazione, da controllo)barometri a sifonebarometri a pozzetto-sifone

Deformazione di un corpo elastico per effetto della pressione atmosferica

Barometri a deformazione (o aneroidi o metallici):barometro a capsula(barometro aneroide)barometro a tubo di Bourdon

Rilevamento della temperatura di ebollizione di un liquido Ipsometri:ipsometro ad acqua

Requisiti dei barometri

Misure di superficieNelle misure effettuate dalle stazioni di superficie si hanno i valori più elevati di pressione, ma le variazioni nello spazio e nel tempo sono generalmente piccole e lente. Per avere buone misure occorrono perciò degli strumenti con sensibilità spinta fino al decimo di hPa, facilmente ottenibile con barometri a mercurio. I barometri aneroidi sono meno precisi ma si prestano a essere usati come elementi sensibili dei barografi e quindi servono per fornire le curve di variazione della pressione nel tempo (barogramma).

Misure in quotaNelle misure effettuate da radiosonde le esigenze sono completamente diverse, perché Patm varia da circa 1000 hPa (al suolo) a 10 hPa (a 30 km ). Inoltre una radiosonda sale a circa 300 m/min il che comporta variazioni di pressione di circa 30 hPa/min negli strati bassi, di circa 5 hPa/min negli strati medi (15 km ) e di circa 0.5 hPa/min negli strati alti ( 30 km ). In queste condizioni di veloce variazione della Patm l’inerzia strumentale gioca un ruolo di primo piano e non si possono pretendere precisioni maggiori dell’ordine di 1 hPa.


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BAROMETRI A MERCURIO

Figura 18 – Esperienza di Torricelli

Le misure assolute di Patm si basano sull'esperienza di Torricelli (fig.18) e quindi dipendono dalla conoscenza di 3 grandezze fisiche, come indicato dalla relazione:

Patm = ρatm g hatm = ρHg g HHgdove: Patm = pressione atmosfericaρatm = densità dell’ariahatm = altezza della colonna d’ariaρHg = densità del mercurioHHg = altezza della colonna di mercuriog = accelerazione di gravità

Altezza HHg E’ l’altezza della colonna di mercurio che equilibra la pressione atmosferica. Viene letta su una scala verticale abbinata alla canna barometrica e avente lo zero coincidente con la superficie libera del mercurio nel pozzetto.

Densità ρHgIl valore della densità dipende dalla temperatura, secondo la relazione:

ρHg = 13595,1 (1 – 18.18 10-5 T) kg/m3

In tale relazione viene usato il valore medio del coefficiente di dilatazione termico fra 0°C e 50°C. La densità così calcolata viene chiamata densità del mercurio normale.

Gravità gL’accelerazione di gravità non è costante in tutti i punti della superficie terrestre. Il suo valore dipende dalla distanza dal centro della terra.In definitiva g varia in funzione della latitudine (perché la Terra non è una sfera terrestre ma è un geoide) e dell’elevazione della stazione.


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Per poter ottenere la precisione del decimo di hPa richiesta dall’OMM, tutte le misure fatte con i barometri delle stazioni meteorologiche devono essere corrette ogni volta dagli errori di temperatura, di gravità (pressione vera, QFE) e devono essere riportate al livello del mare per avere dati omogenei e confrontabili (QFF).

Tipologie di barometro a mercurioAbbiamo tre diverse tipologie di barometri a mercurio, distinte per le soluzioni tecniche adottate:Barometri a pozzettoBarometri a sifoneBarometri a pozzetto–sifone (o barometri normali)

BAROMETRI A POZZETTO

Sostanzialmente sono il tipo di barometro usato da Torricelli, migliorato con opportune modifiche tecniche che ne consentono un uso preciso e pratico.Il problema fondamentale è che le variazioni di Patm causano variazioni di livello non solo nella canna, ma anche nel pozzetto. Di conseguenza, prima di ogni misura (lettura dell’altezza H) bisogna riposizionare lo zero della scala in coincidenza del pelo libero del mercurio. Ciò si può ottenere spostando la scala graduata oppure spostando il pelo libero del mercurio: in pratica si usa solo la seconda soluzione.

Barometro Fortin

E’ un barometro a pozzetto in cui viene spostato il pelo libero del mercurio per riallineare la scala prima di ogni misura. E’ costituito dalla canna barometrica e da un pozzetto, sul cui fondo è fissata una guaina di pelle di daino che fa da base di appoggio per il mercurio nel pozzetto. Questa guaina può essere alzata o abbassata ruotando una vite posta sul fondo del pozzetto (vedi fig.19).

Fig. 19 – Barometro Fortin

Una puntina di avorio è fissata alla parte interna del coperchio del pozzetto: la sua estremità coincide con lo zero della scala dello strumento.


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Per mettere a punto lo strumento si agisce sulla vite di fondo, fino a che il livello del mercurio nel pozzetto arriva a toccare l’estremità della puntina d’avorio. In tal modo il pelo libero del mercurio corrisponde esattamente allo zero della scala e lo strumento è pronto per la misurazione.Sul coperchio del pozzetto è applicata una vite in un foro filettato: prima di fare la misura bisogna aprire il foro, per consentire alla Patm di agire sul mercurio nel pozzetto.Per trasportare lo strumento bisogna prima agire sulla vite di fondo affinché il mercurio occupi tutto il pozzetto e poi chiudere il foro sul coperchio. In tal modo si evita che bolle d’aria entrino nella canna barometrica. Lo strumento è di facile impiego e semplice regolazione e può essere facilmente trasportato nella sua custodia di legno.

Barometro da stazione a pozzetto fisso

Il barometro da stazione meteorologica deve soddisfare requisiti di precisione, facilità di impiego e lettura, praticità e maneggevolezza nelle operazioni di trasporto e semplicità costruttiva.Il barometro a pozzetto fisso soddisfa questi requisiti in misura maggiore di quello di Fortin.

Fig.20 – Canna barometrica Fig.21 – Pozzetto barometrico Fig.22 - Cassetta-armadio

Il barometro da stazione ha il pozzetto fisso, cioè le sue pareti sono tutte fisse e non è possibile spostare il pelo libero del mercurio per riallineare la scala prima di ogni misurazione.In teoria il pozzetto è costruito in modo da evitare infiltrazioni di aria nella canna barometrica. Per maggiore sicurezza la canna barometrica ha un profilo speciale, che consente di bloccare la salita di bolle d’aria che si fossero eventualmente infiltrate (vedi fig.20). Per impedire infiltrazioni durante il trasporto, il fondo del pozzetto è provvisto di una vite con tappo di gomma che va a chiudere ermeticamente la canna barometrica (vedi fig.21).Sul coperchio del pozzetto è applicata una vite in un foro filettato: prima di fare la misura bisogna aprire il foro, per consentire alla Patm di agire sul mercurio nel pozzetto (vedi fig. 21).In condizioni di funzionamento, lo strumento è sistemato nella propria cassetta–armadio, fissata verticalmente a una parete della stazione meteorologica (vedi fig.22). All’interno il barometro è appeso in alto con un anello ed è fissato in basso con un dispositivo di verticalità costituito da un anello con tre viti autocentranti.


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Scala Compensata (o Contratta)Nel barometro a pozzetto fisso il livello del pelo libero del mercurio non è costante, ma si alza o si abbassa a seconda che la Patm rispettivamente diminuisca o aumenti. Per risolvere il problema mantenendo la semplicità costruttiva dello strumento si ricorre all’installazione di una scala graduata modificata (contratta) in modo da correggere l’errore dovuto alla variazione di livello del pelo libero. Tale scala modificata prende il nome di scala compensata.Per capire come funziona una scala compensata si consideri un barometro a pozzetto fisso. Sia:

s = sezione della canna; S = sezione del pozzetto; R= sS

Si consideri la situazione iniziale di equilibrio e si indichi con H l’altezza della colonna di mercurio.Si supponga poi che Patm aumenti, per cui il livello del mercurio nella colonna si alza e il pelo libero del mercurio nel pozzetto si abbassa (fig.23).Sia HFIN l’altezza della colonna di mercurio corrispondente al nuovo valore di pressione.

Figura 23 – Scala compensata (1)

All’interno della canna la colonna di mercurio è aumentata del volume v che vale:

v = s hc

dove hc è l’incremento di livello del menisco della colonna di mercurio.Il volume v che è stato spinto nella canna proviene dal pozzetto ed è per questo che il pelo libero del mercurio del pozzetto si abbassa. Allora si può scrivere anche:

v = S hp

dove hp è il decremento di livello del pelo libero nel menisco. Dalle due precedenti uguaglianze risulta:

S hp = s hc

Dividendo per S membro a membro :


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SS

h p =sS

hc

Ricordando che R = s / S si trova:

hp = hc R

Per fissare le idee si supponga che sia R = 1/40, cioè che la sezione s della canna barometrica sia quaranta volte più piccola della sezione S del pozzetto. Si supponga inoltre che da una situazione iniziale di equilibrio con H = 760 mm Hg si passi a una situazione finale di equilibrio in cui il livello di Hg nella canna è cresciuto di 40 mm. In tal caso risulta:

hp = hc R = 40 mm 1

40 = 1 mm


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Figura 24 – Scala compensata (2)

Ciò significa che la Patm nella situazione finale di equilibrio vale (fig. 24): HFIN = H + hc + hp = 760 + 40 + 1 = 801 mm Hg e non 800, come starebbe a indicare una scala graduata con lo zero allineato con il livello iniziale del pelo libero nel pozzetto.Poiché nel pozzetto il livello si è abbassato di 1 mm, questo significa che nella «scala compensata» al posto di 800 bisogna scrivere 801 perché è questa, in realtà, l’altezza HFIN della colonna di Hg.Procedendo in maniera analoga alla precedente, si dimostra che per una diminuzione di Patm che causi una discesa di 40 mm di Hg dentro la canna, il livello del pelo libero nel pozzetto si alza di 1 mm e quindi HFIN = 719 mm Hg. Questo significa che nella «scala compensata» al valore 720 bisogna sostituire 719.Se si suddivide l’intervallo 801–719 (di lunghezza reale di 80 mm) in 82 parti uguali, si ottiene una scala che compensa la variazione di livello di Hg nel pozzetto al variare di Patm, il cui valore reale può essere letto direttamente su di essa.In definitiva la scala compensata non è altro che una scala “contratta”, dove ogni divisione (di valore nominale 1 mm) ha l’ampiezza di:d ≈ 1 – R(Ad esempio , nel caso precedentemente considerato con R = 1/40 si ha:

d = 1 −1

40 ≈ 1- 0.025 ≈ 0.975 mm )

Con questo artificio l’operatore può leggere direttamente sulla scala il valore di Patm corretto tenendo conto della variazione del livello del mercurio nel pozzetto.

Caratteristiche costruttive del barometro da stazione

- Come detto precedentemente, generalmente il rapporto fra le sezioni è:

R =sS=

140


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Poiché la compensazione della scala è basata sul valore di R, è fondamentale che le sezioni S del pozzetto ed s della canna barometrica siano perfettamente costanti. Nei barometri SIAP le dimensioni sono:Lunghezza canna = 855 mmDiametro interno canna = 8 mm s = 50.256 mm2Altezza pozzetto = 40 mmDiametro interno pozzetto = 50.5 mm S = 2002,97 mm2

- La quantità di Hg contenuta nel barometro è prefissata e non deve variare, pena l’introduzione di un errore strumentale.Per valutare l’entità di tale errore si consideri la definizione di densità:

ρ =mV da cui m = ρ v = ρ Δh S e quindi Δh =

mρ S

dove Δh è l’abbassamento di livello del pelo libero nel pozzetto (e quindi anche del menisco nella canna) corrispondente alla perdita di una massa m di Hg.Per fissare le idee, si supponga che:m = 10 gρ = 13.59 g/cm3

S = 20.03 cm2si ottiene:

Δh =m

ρ S=

1013 . 59⋅20 .03

= 0 .03673 cm = 0 . 37 mm

corrispondente a circa 0.5 hPa di errore se R = 1/40.

- E’ presente un nonio17 per effettuare letture di precisione. Il nonio viene fatto scorrere su una cremagliera comandata da un nottolino zigrinato (vedi fig. 25).

- E’ presente il termometro annesso, necessario per la misurazione della temperatura del complesso del barometro, allo scopo di apportare la correzione di temperatura. Il termometro è posto in una custodia al di sopra del pozzetto.

- I barometri da stazione sono costruiti in due versioni. Quelli per stazioni di pianura o collina hanno scala graduata da 860 a 1100 hPa, mentre quelli per stazioni di montagna hanno scala graduata da 600 a 1060 hPa, per poter effettuare misure di Patm anche in stazioni fino a 4000m di elevazione.


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Fig.25 - Particolare della scala del barometro da stazione

Fig. 26 – Barometro da stazione confrontato con barometro da controllo

BAROMETRO DA CONTROLLOE’ un barometro di elevata precisione che viene usato in laboratorio per effettuare la taratura dei barometri da stazione, dei barografi e degli altimetri (vedi fig.26).Sostanzialmente è un barometro a pozzetto fisso con scala compensata. La scala è molto estesa, in modo da consentire misure di pressione di qualunque valore e il nonio può scorrere su tutta la lunghezza della scala.


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CAUSE DI ERRORE NEI BAROMETRI A MERCURIO

Pressione dinamicaLa Patm deve essere misurata in condizioni statiche. L’aria in movimento, il vento forte e le raffiche causano compressioni o decompressioni dinamiche che fanno fluttuare l’altezza della colonna barometrica. E’ quindi necessario posizionare lo strumento in posizioni il più possibile protette.Temperatura strumentalePer una corretta misurazione è necessario che lo strumento si trovi tutto alla stessa temperatura. Ciò si verifica solo approssimativamente, a causa della disposizione di porte o finestre, del riscaldamento o dell’irraggiamento del sole che può colpire il barometro in modo non uniforme. Se il locale della stazione meteorologica è riscaldato, per esempio, il soffitto può avere una temperatura più alta del pavimento di qualche grado. In queste condizioni è possibile che la temperatura della sommità del barometro sia maggiore di quella della base anche di un grado.L’errore si può ridurre con una buona ventilazione dell’ambiente.Vuoto difettosoIl vuoto al di sopra della canna barometrica di solito si ottiene riempiendo completamente la canna con il mercurio e poi capovolgendola. Può succedere che nella canna restino tracce di aria o di vapore acqueo oppure bolle di aria potrebbero penetrare durante le fasi di trasporto. Specialmente con l’aumentare della temperatura la loro pressione può spostare in basso il menisco.Per verificare l’eventuale presenza di bolle si può inclinare lo strumento fino a quando il mercurio va a colpire la sommità della canna: se l’urto produce un rumore secco vuol dire che c’è il vuoto; se invece il rumore è attutito vuol dire che l’aria presente ha fatto da cuscinetto.Per rimediare al difetto di vuoto occorre ritarare la scala. Nei barometri da laboratorio il vuoto viene prodotto con un pompa.Errore di verticalitàSe il barometro non è appeso verticalmente sulla scala graduata si legge un valore maggiore di quello vero. Tale errore può essere trascurabile o consistente a seconda di quanto vale l’inclinazione e a seconda del tipo di barometro.


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BAROMETRI A SIFONE

Nei barometri a sifone il pozzetto viene eliminato e sostituito da un ripiegamento «a sifone» della canna barometrica. Il sifone ha sezione capillare, mentre le rimanenti parti della canna hanno sezione larga e uguale fra loro. La parte in basso ha un forellino che la mette in comunicazione con l’esterno. L’altezza della colonna di mercurio si misura fra i due menischi di mercurio.Il più noto di barometro a sifone è il barometro di Gay-Lussac (vedi fig. 27).

BAROMETRI A POZZETTO-SIFONE

Sono anche detti più propriamente Barometri normali. Sono una combinazione dei due tipi precedenti, essendo contemporaneamente a pozzetto mobile e a sifone (vedi fig. 27). Infatti si compongono di due tubi immersi in un’unica vaschetta: uno di essi è in comunicazione con l’esterno, mentre l’altro è chiuso superiormente. L’altezza della colonna di mercurio si misura fra i due menischi di mercurio. Ognuno dei due tubi è munito di un nonio.

Figura 27 – Barometro a sifone e barometro a pozzetto-sifone


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BAROMETRI A DEFORMAZIONESono chiamati anche barometri metallici o aneroidi (=senza liquido) e basano il loro funzionamento sull’equilibrio fra la forza esercitata dall’atmosfera e le forze elastiche di corpi metallici di forma opportuna. In sostanza sono dei dinamometri che si deformano per equilibrare la pressione atmosferica. Tale deformazione viene opportunamente amplificata e riportata su una scala tarata in unità di misura di pressione.

BAROMETRO A CAPSULA

L‘elemento sensibile è costituito da una scatola cilindrica metallica formata da due membrane affacciate e distanziate da un colletto rigido. Le membrane sono ondulate per aumentare l’ampiezza di deformazione (fig. 28).

Figura 28 – Schema di un barometro a capsula

Le membrane sono costruite usando metalli poco sensibili alle variazioni di temperatura (argentana18 o similoro19).All’interno della capsula viene tolta l’aria quasi completamente, lasciandone solo una piccola quantità per compensare l’effetto della temperatura. Infatti le caratteristiche elastiche del metallo di cui sono fatte le capsule varia, anche se poco, al variare della temperatura. Si chiama pressione di compensazione la pressione dovuta alla piccola quantità d’aria lasciata nella capsula ed è quella che rende il barometro praticamente insensibile alle variazioni di temperatura.Poiché la pressione di compensazione è molto bassa, la Patm tenderebbe a schiacciare la capsula, perciò all’interno viene inserita una molla appositamente calibrata per impedire lo schiacciamento. Usando un particolare tipo di acciaio al nichel si può eliminare la molla, perché è l’acciaio stesso che assolve alla funzione di molla.Quando Patm aumenta rispetto alla situazione iniziale di equilibrio, la capsula si schiaccia. Viceversa, se Patm diminuisce rispetto alla situazione iniziale di equilibrio, la capsula si dilata. Fissando una parete della capsula al supporto rigido dello strumento e applicando alla membrana opposta un sistema di amplificazione, si trasmettono le deformazioni elastiche a un indice mobile su una scala opportunamente tarata nelle unità di misura della pressione.Si può migliorare la sensibilità dello strumento (cioè aumentare l’ampiezza delle deformazioni elastiche) collegando più capsule in serie fra loro.Il barometro aneroide non è uno strumento assoluto: è necessario che la sua scala graduata sia tarata per confronto con un barometro a mercurio.Normalmente le capsule hanno diametri variabili fra i 30 e i 200 mm e altezze variabili fra i 3 e i 15 mm. La loro sensibilità è di circa 2 μm/hPa e solo con acciai speciali si possono raggiungere i 5 μm/hPa.


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BAROMETRO A TUBO DI BOURDON

L’elemento sensibile è costituito da un tubo di Bourdon nel quale è stata tolta quasi tutta l’aria (come nelle capsule aneroidi). La pressione di compensazione rende lo strumento praticamente insensibile alle variazioni di temperatura, in concorso con la scelta del metallo (argentana, invar).Quando la Patm aumenta rispetto alla posizione iniziale di equilibrio, il tubo anulare tende a restringersi. Infatti la superficie esterna è più estesa di quella interna, perciò la Patm esercita una forza maggiore sulla superficie esterna che su quella interna, come si deduce da:

P =FS da cui F = P S

e quindi

Fest = P Sest > Fint = P Sint essendo Sest > Sint

Quando la Patm diminuisce rispetto alla posizione iniziale di equilibrio, per lo stesso motivo il tubo anulare tende ad allargarsi.

Figura 29 – Barometro a tubo di Bourdon

Nell’uso come barometro, il tubo può essere fissato nella sua parte centrale mentre gli estremi sono collegati, tramite un sistema di amplificazione, a un indice mobile su una scala opportunamente tarata. In altri casi un’estremità è vincolata e l’altra è collegata all’indice mobile (fig.29).Il barometro di Bourdon non è uno strumento assoluto: è necessario che la sua scala graduata sia tarata per confronto con un barometro a mercurio.

ERRORI NEI BAROMETRI ANEROIDI

Errori dovuti a variazioni di temperaturaLa temperatura esercita un’azione complessa sui barometri metallici. Infatti occorre tenere conto della dilatazione termica delle capsule e delle molle, della variazione di pressione dell’aria residua all’interno delle capsule, della dilatazione dei supporti delle capsule e dei sistemi di amplificazione e trasmissione del movimento.Un aumento di temperatura del barometro si traduce in un aumento apparente della pressione.L’errore di temperatura si corregge in due modi:

Compensazione a bilaminaSi applicano una o più bilamine nel dispositivo di amplificazione, in posizione opportuna. All’aumentare della temperatura la bilamina si incurva, diminuendo la lunghezza del braccio di amplificazione. In tal modo si corregge l’errore, perché una leva di amplificazione più corta segna un valore di Patm minore.


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Compensazione con dosaggio dell’aria residuaConsiste nel lasciare dentro le capsule una conveniente quantità d’aria, che produce una pressione di compensazione che si oppone agli errori di temperatura. Il valore opportuno della pressione di compensazione viene determinato sperimentalmente.L’ordine di grandezza della pressione di compensazione è di qualche decina di hPa (circa 60–70 hPa). Pur non essendo un rimedio perfetto dà buoni risultati.

Errori di isteresiIsteresi significa che il valore di una grandezza fisica, in un dato istante, dipende anche dai valori che quella grandezza aveva raggiunto in precedenza.Nei metalli che vengono sottoposti a deformazioni cicliche la struttura molecolare tende modificarsi nel tempo, fino a modificare le sue caratteristiche meccaniche. In altre parole, la deformazione elastica di una capsula aneroide conseguente alla stessa variazione di Patm cambia nel tempo. Ciò introduce nelle misure un errore che può essere minimizzato con opportuni trattamenti termici ai metalli usati, al momento della costruzione. Tali trattamenti migliorano le caratteristiche meccaniche dei metalli, diminuendo la loro isteresi.

BAROMETRO ANEROIDE DA STAZIONE

E’ un barometro a capsula aneroide molto sensibile e preciso, usato nelle stazioni meteorologiche in sedi aeroportuali per la determinazione del QNH (fig. 30a e fig. 30b).E’ dotato di una scala graduata per la misurazione di valori da 880 a 1040 hPa. Lo strumento dispone di indice a doppio coltello per evitare errori di parallasse. Il coperchio trasparente può ruotare, in modo che la lente di ingrandimento possa essere posizionata sull’indice mobile per aumentare la precisione della lettura.

a b

Figura 30 – Barometro aneroide per la determinazione del QNH

Con questi accorgimenti la precisione che si ottiene è di 0.25 hPa.L’accurata costruzione riduce al minimo possibile gli errori di temperatura e di isteresi.


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La lettura va effettuata senza spostare il barometro, dopo averlo sollecitato con qualche piccolo colpetto sul quadrante per annullare eventuali piccoli attriti che potrebbero ostacolare il movimento dell’indice.Poiché non è uno strumento assoluto (come tutti i barometri aneroidi) va periodicamente controllato e tarato con un barometro a mercurio.Il quadrante del barometro aneroide da stazione è composto da due parti (fig. 30a e fig. 30b):1) Un quadrante anulare esterno a forma di corona circolare, sul quale è riportata la scala dei valori di pressione da 880 a 1040 hPa.2) Un quadrante circolare interno concentrico al quadrante anulare. Il quadrante interno è graduato in m da 0 a 800 m. Su questa scala in m si orienta la lancetta L, che viene fissata sul valore dell’elevazione della stazione nella quale lo strumento è collocato. Per fissare la lancetta L nella posizione desiderata si agisce sul pulsante di bloccaggio P. Una volta eseguita tale operazione, la posizione della lancetta L non deve essere più cambiata, a meno che il barometro non venga spostato per essere usato in un nuova stazione di elevazione diversa. L’indice mobile I è quello che consente di leggere sul quadrante anulare esterno la Patm esistente in un certo istante all’elevazione della stazione (QFE).

Determinazione del QNHValori indicati nella figura:Elevazione stazione = 240 m; QFE = 909 hPa; QNH = 942 hPa

Il QNH si legge sul quadrante anulare esterno in corrispondenza dello zero della scala in metri, dopo aver disposto la lancetta L a collimare con l’indice I, agendo sul bottone zigrinato Z che fa ruotare solidamente la lancetta L ed il quadrante circolare interno.Periodicamente lo strumento deve essere tarato per confronto con il barometro a mercurio da stazione, tenuto conto della correzione a 0°C e della gravità normale. Eventuali messe a punto possono essere fatte agendo su una vite di regolazione accessibile dal retro dello strumento.

BAROGRAFO ANEROIDE DA STAZIONE

L’elemento sensibile è costituito da 12 capsule aneroidi in serie, con diametro di 75 mm. Nel congegno di trasmissione e amplificazione è inserita una lamina bimetallica per compensare gli errori di temperatura: in tal modo l’errore è contenuto entro 1 hPa per variazioni di 20°C.Una coppia di ammortizzatori ad olio ad azione antagonista assorbe le vibrazioni meccaniche che potrebbero alterare l’andamento del diagramma.Il pennino scrive su un diagramma di 16 cm di larghezza con righe di 1,5 mm di larghezza per ogni hPa. Ciò consente di misurare variazioni di pressione di circa 100 hPa. Il pennino può essere riallineato al centro del diagramma, in modo da poter usare il barografo con qualunque valore di pressione e, quindi, anche in stazioni meteorologiche di alta montagna (fig.41 pag.70 libro di testo).Il periodo di rotazione del tamburo può essere regolato sulle 24 ore o sulla settimana. Il movimento è a molla, con chiave di ricarica.Periodicamente lo strumento deve essere tarato per confronto con un barometro a mercurio e opportunamente lubrificato.


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IPSOMETRILa temperatura di ebollizione TE dei liquidi puri dipende esclusivamente dalla pressione esterna.L’ipsometro è un barometro che funziona sfruttando tale principio: misurando la TE si risale alla pressione (misura indiretta) utilizzando l’equazione20:

P = 35.8 ( TE – 100 ) + 1013.25 hPa

Il nome dello strumento deriva dal fatto che inizialmente veniva sfruttato per determinare l’altitudine delle stazioni, ma poi è stato utilizzato anche per misure di taratura dei barografi nelle località sprovviste di strumenti campione

Ipsometro ad acquaL’ipsometro è costituito da un bollitore per acqua distillata, sul quale è montato un tubo a intercapedine, chiuso alle estremità e comunicante sia con l’ambiente esterno che interno per mezzo di numerosi fori. All’interno di tale tubo, in posizione coassiale, è posto un termometro molto sensibile. Esso è sostenuto da un anello di gomma che mantiene il bulbo a circa 15 mm al di sopra del livello dell’acqua in ebollizione (fig. 31). La circolazione del vapore d’acqua all’interno del tubo a intercapedine mantiene costante la temperatura attorno al termometro per tutta la sua lunghezza.Sul termometro si legge il valore di TE che si inserisce nell’equazione precedente per il calcolo di Patm .La sensibilità del termometro impiegato è dell’ordine del centesimo di grado.

ESEMPIO:TE = 97.45 ° CP = 35.8 (97.45 – 100) + 1013.25 = 35.8 ( - 2.55 ) + 1013.25 = 922.21 hPa

Figura 31 – Ipsometro ad acqua


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CORREZIONI E RIDUZIONI BAROMETRICHE

L’altezza della colonna di mercurio misurata nel barometro per un dato valore di Patm dipende anche dalla temperatura, dalla latitudine e dall’elevazione della stazione e da eventuali errori sistematici dello strumento.Per disporre di dati di pressione sinottici omogenei e confrontabili, è necessario che la lettura lorda della pressione sia ogni volta corretta dell’errore strumentale, dell’errore di temperatura, dell’errore gravimetrico e che poi venga riportata al livello del mare.Le operazioni da compiere sono, in successione:

Lettura della temperatura sul termometro annesso. Lettura lorda della pressione. Correzione dell’errore strumentale. Riduzione a 0°C. Correzione gravimetrica dipendente dall’elevazione e dalla latitudine. Riduzione al msl

Lettura temperatura su termometro annessoE’ opportuno che venga fatta per prima, per evitare che il calore irradiato dal corpo dell’osservatore alteri la misura.

Correzione dell’errore strumentaleNei buoni barometri gli errori strumentali sono contenuti entro pochi decimi di hPa. Essi sono determinati per confronto con un barometro campione e sono riportati dal costruttore in una tabellina di taratura che fornisce il valore, con segno, della correzione da apportare alle misure.Gli errori strumentali sono dovuti a imperfezioni della scala o del vuoto sopra il menisco, alla imperfetta calibrazione della canna barometrica o a una quantità di mercurio in difetto o in eccesso.

Riduzione a 0° CHa lo scopo di tenere conto della variazione di densità del mercurio e della dilatazione termica lineare della scala metallica graduata. Si determina utilizzando apposite tabelle precalcolate (fig.32, tab. 3.II)Il segno della riduzione è negativo se la temperatura del barometro annesso è positiva e viceversa. Infatti:

ρ =mV

=m

S⋅h da cui h =m

S⋅ ρ con m, S costanti

Se la temperatura cresce sopra lo zero, la densità diminuisce e quindi l’altezza h della colonna di mercurio aumenta: per questo bisogna sottrarle l’errore dovuto alla temperatura (correzione con segno negativo). Se la temperatura cala sotto lo zero, la densità aumenta e quindi l’altezza h della colonna di mercurio diminuisce: per questo bisogna sommarle l’errore dovuto alla temperatura (correzione con segno positivo).

Correzioni gravimetricheL’accelerazione di gravità varia in funzione della distanza dal centro della terra, quindi varia per effetto dell’elevazione della stazione e della sua latitudine. Si determina utilizzando apposite tabelle precalcolate (fig.33 tab. 3.III).Per quanto riguarda l’elevazione, la correzione ha segno negativo per tutte le stazioni che si trovano al di sopra del livello del mare e viceversa. Infatti:

P = ρ g h da cui h =P

ρ⋅g con: P, ρ costanti


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All’aumentare dell’elevazione sopra il msl, g diminuisce e quindi l’altezza h della colonna di mercurio aumenta: per questo bisogna sottrarle l’errore dovuto alla elevazione della stazione (correzione con segno negativo).Se l’elevazione scende sotto il msl, g aumenta e quindi l’altezza h della colonna di mercurio diminuisce: per questo bisogna sommarle l’errore dovuto alla elevazione della stazione (correzione con segno positivo).Per quanto riguarda la latitudine, bisogna ricordare che la Terra è un geoide: a nord del 45° parallelo la superficie terrestre si trova al di sotto della sfera ideale (quindi g è maggiore rispetto al valore che avrebbe sulla sfera ideale, cioè sul 45° parallelo) mentre a sud del 45° parallelo la superficie terrestre si trova al di sopra della sfera ideale ( quindi g è minore rispetto al valore che avrebbe sulla sfera ideale, cioè sul 45° parallelo).Tenendo conto del valore h ricavato precedentemente, si ricava che la correzione gravimetrica di latitudine ha segno negativo per stazioni a sud del 45° parallelo mentre ha segno positivo per stazioni a nord del 45° parallelo. (fig.33 tab. 3.IV)Il valore di pressione così ottenuto prende il nome di pressione vera al livello della stazione (QFE).

Riduzione al livello del mare in aria reale (calcolo del QFF)Viene anche chiamata riduzione altimetrica. Ha lo scopo di rendere paragonabili fra loro i valori di Patm misurati in stazioni di elevazione diversa.Nota la pressione vera al livello della stazione (QFE), per ottenere il QFF bisogna aggiungere al QFE la variazione di pressione in atmosfera reale (∆P) corrispondente al dislivello (z) fra l’elevazione della stazione e il m.s.l.. Il valore di ∆P non può essere misurato strumentalmente in modo diretto, ma l’unica possibilità è quello di calcolarlo, tenendo conto dell’elevazione della stazione e delle condizioni reali dell’atmosfera (densità e, quindi, temperatura).Per tale scopo è possibile e conveniente esprimere ∆P come prodotto del QFE e di un coefficiente numerico adimensionale M, il cui valore dipende dall’elevazione della stazione e dalla temperatura dell’atmosfera reale. I valori di M possono essere precalcolati e riportati in tabella.In base a quanto detto in precedenza, si può scrivere:

QFF = QFE + ∆P = QFE + M ∙ QFE = QFE ∙ (1 + M)

Nella realtà M ha un valore molto piccolo (cioè sono presenti molti zeri dopo la virgola prima delle cifre significative), perciò sulle tabelle precalcolate è conveniente riportare il suo valore moltiplicato per mille (Mx1000) (vedi fig.34 tab. 3.V).Di conseguenza, l’equazione utilizzata nella pratica diventa:

QFF = QFE ∙ (1 + Mx1000/1000)

Per trovare in tabella il valore di Mx1000 bisogna conoscere l’elevazione della stazione z e la temperatura media (θ) dello strato di atmosfera reale compresa fra l’elevazione della stazione e il m.s.l.. Anche θ non può essere misurato strumentalmente in modo diretto, ma l’unica possibilità è quello di calcolarlo tenendo conto del gradiente termico verticale (γ). Riesce:

θ = T + γ z / 2 = T + 0.006 z / 2 = T + 0.003 z

dove:T = temperatura barometrica in °Cz = elevazione stazione in mγ = gradiente termico verticale = 6 °C/km = 0.006 °C/m


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Esempio completo di riduzione della pressione al livello medio del mare

Dati rilevati nella stazione o relativi alla stazione:

Elevazione della stazione (quota del pozzetto AMSL) 203 mLatitudine della stazione 46° 08’ NPressione letta al barometro 1010.2 hPaCorrezione strumentale - 0.13 hPaTemperatura del termometro annesso al barometro 12.4 °CTemperatura dell’aria nella stazione 15.8 °C

1^ operazione: Correzione strumentalePressione letta 1010.20 hPaCorrezione strumentale - 0.13 hPa

===============Pressione corretta dell’errore strumentale 1010.07 hPa

2^ operazione: Riduzione della temperatura a 0°CCorrezione ricavata dalla tabella 3.II perT = 12.4 °C e h = 1010.2 ≅ 1010 hPa - 2.05 hPa

===============Pressione ridotta a 0°C 1008.02 hPa

3^ operazione: Correzioni gravimetrichedalla tabella 3.III si ha, all’incrocio traz = 203 ≅ 200 m e h = 1010.2 ≅ 1000 hPa - 0.04 hPadalla tabella 3.IV si ha, all’incrocio traφ = 46° 08’ ≅ 46° N e h = 1010.2 ≅ 1010 hPa + 0.09 hPa

===============1008.07 hPa

4^ operazione: Riduzione della pressione al msl1) Temperatura media dello strato tra la stazione e msl

θ = 15.8 +0.003 203 = 16.409 °C2) Mx1000,

- ricavato dalla tabella 3.V all’incrocio tra z = 203 ≅ 200 m e θ = 16.409 ≅ 16 °C

valore approssimato 23.9 - per tenere conto dei 3 m di differenza (203 m), nelle colonne sulla destra scegliamo il gruppo 12 (da usare per elevazioni da 160 a 250 m) e il valore corrispondente a 3 (di 203)

valore da aggiungere 0.36si ottiene quindi Mx1000 = 23.9 + 0.36 = 24.26

3) Correzione ∆P da apportare alla pressione di stazione (QFE) per dedurre la pressione al msl (QFF)

QFE * Mx1000 / 1000 = 1008.07 * 24.26 / 1000 + 24.46 hPa===============

Pressione di stazione ridotta al msl 1032.53 hPa


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Figura 32 – Tabella 3.II


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Figura 33 – Tabella 3.III e tabella 3.IV


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Figura 34 – Tabella 3.V


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IGROMETRI

Gli igrometri sono strumenti usati per misurare l'umidità dell'aria.

CLASSIFICAZIONE DEGLI IGROMETRIIn base al principio di funzionamento gli igrometri possono essere classificati come segue:

1) PsicrometriSono costituiti da due termometri ordinari a mercurio, uguali e disposti verticalmente. Dei due termometri uno viene mantenuto con il bulbo ricoperto da una garza impregnata di acqua distillata e quindi si raffredda per evaporazione causata da ventilazione forzata.La differenza di temperatura misurata dai due termometri è in relazione alla differenza tra la pressione effettiva del vapore e la pressione di saturazione del vapore a temperatura ambiente (pressione di vapore saturo). Per mezzo di opportune tabelle dalle due temperature rilevate si risale al calcolo delle grandezze igrometriche.

2) Igrometri ad assorbimentoSi basano sulla proprietà di molti materiali organici (capelli, pelle, carta) di variare le loro dimensioni a seguito dell'assorbimento di umidità. La precisione è mediocre, ma sono molto diffusi a causa della loro praticità e sono adatti a costituire l'elemento sensibile degli igrografi.

3) Igrometri a condensazioneSi basano sulla misura della temperatura alla quale viene fatto condensare (per raffreddamento) il vapore acqueo su una superficie speculare. Tale temperatura corrisponde alla temperatura di saturazione o temperatura di rugiada; da essa si risale alla pressione di vapore saturo e poi all'umidità relativa.

4) Igrometri a pesoSi basano sulla proprietà di alcune sostanze (acido solforico concentrato, anidride solforica) di assorbire umidità dall'ambiente fino a ridurre la pressione di vapore praticamente a zero.La misura igrometrica si ricava dalla misura di peso della sostanza, contenuta in un recipiente di capacità nota, prima e dopo l'assorbimento di umidità.

5) Igrometri elettrolitici Si basano sulla misura della resistività elettrica di certi sali, che cambia in funzione dell'umidità assorbita dall'ambiente.

6) Igrometri chimiciSi basano sulla variazione del colore di certi sali, che cambia in funzione dell'umidità assorbita dall'ambiente.

Nella pratica meteorologica sono usati gli psicrometri e gli igrometri ad assorbimento. Gli igrometri a condensazione sono usati in laboratorio per la taratura degli altri tipi di igrometro.


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IGROMETRO A CAPELLIE' un igrometro ad assorbimento in cui il materiale sensibile è costituito da un singolo capello o da una treccia di capelli opportunamente selezionati. I capelli hanno la proprietà di allungarsi all'aumentare dell'umidità relativa dell'aria e viceversa. I capelli (anche quelli di una stessa testa) non si allungano uniformemente all'aumentare dell'umidità dell'aria, ma risultano uniformi gli allungamenti relativi (cioè gli allungamenti parziali rispetto all'allungamento massimo).Se si indica con 1 l’allungamento massimo subito da un capello qualsiasi nel passaggio da Ur = 0% a Ur = 100%, gli allungamenti parziali ∆lr in funzione di Ur, sono espressi dalla seguente tabella (ricavata sperimentalmente da Gay-Lussac) e dal grafico corrispondente (fig. 35):

Umidità relativa Ur (%) Allungamenti relativi ∆lr

0

10 0,209

20 0,388

30 0,528

40 0,637

50 0,728

60 0,792

70 0,852

80 0,905

90 0,954

100 1

Fig.35 – Allungamenti parziali dei capelli al variare dell'Ur.

Si osserva che l'allungamento relativo ∆lr non è costante in tutto l'arco di variazione di Ur: è maggiore per i valori bassi di Ur mentre diminuisce per valori alti. In altre parole la variazione di ∆lr in funzione di Ur non è lineare. La conseguenza più importante è che la scala graduata dello strumento non è lineare (vedere figura 36).

Figura 36 – Igrometro a capelli


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Alcuni igrometri utilizzano un solo capello, ma in tal caso il sistema di amplificazione del suo allungamento deve essere molto leggero, per non spezzarlo, e lo strumento risulta comunque molto fragile.Per avere strumenti più robusti bisogna usare fasci di capelli selezionati in modo da avere uguali allungamenti sia assoluti che percentuali.Dal punto di vista costruttivo tutti gli igrometri a capelli sono costituiti da un fascio di capelli vincolato ad una estremità e tenuto in tensione da una molla o da un pesetto applicato all'altra estremità.In posizione intermedia (o in corrispondenza al contrappeso) al fascio è applicato un sistema di amplificazione che comanda un indice mobile su una scala opportunamente graduata da 0% a 100%.L'igrometro a capelli non è uno strumento assoluto e deve essere tarato per confronto con un igrometro di riferimento. Ogni strumento è munito di apposita vite di regolaggio.Periodicamente i capelli devono essere ripuliti da tracce di grasso e polvere che col tempo si depositano sulla loro superficie, modificandone le proprietà igroscopiche. La pulizia va fatta con detergente neutro seguito da lavaggio con acqua distillata e successiva asciugatura all'ombra.La prontezza dello strumento dipende dalla temperatura, perché i capelli. si allungano più velocemente alle alte temperature che alle basse (in corrispondenza delle quali il ritardo può essere di parecchi minuti). In pratica, il campo di impiego degli igrometri a capelli è compreso fra +40°C e –30°C.

IGROMETRO A CONDENSAZIONELo strumento è costituito essenzialmente da una scatola metallica a forma di parallelepipedo, con pareti sottili lucidate a specchio. Il recipiente viene riempito per circa i 3/4 di etere etilico, una sostanza facilmente volatile a temperatura ambiente. Attraverso la faccia superiore del recipiente vengono inseriti un termometro ordinario a mercurio (in modo che il bulbo sia immerso nell'etere) e due tubicini (fig. 37).

Figura 37 – Igrometro a condensazione

Il tubicino A serve per soffiare aria all'interno, in modo da velocizzare l'evaporazione dell'etere e abbassare quindi la temperatura; l'altro tubicino B serve per la fuoriuscita dei vapori. Per potere


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evaporare l'etere sottrae calore all'ambiente e quindi la temperatura diminuisce progressivamente, raffreddando le pareti metalliche del contenitore. Quando si raggiunge la temperatura di saturazione (temperatura di rugiada td) il vapore presente nell'aria inizia a condensarsi sulle pareti metalliche P del recipiente. Appena compaiono le prime tracce di condensazione si va a leggere sul termometro T il valore della temperatura di rugiada td. Lo strumento è molto preciso ma richiede grande cura nell'esecuzione della misura.

PSICROMETROLo strumento è costituito essenzialmente da due termometri ordinari a mercurio uguali fra loro, con sensibilità al decimo di grado, montati verticalmente.Il bulbo di uno dei termometri viene ricoperto con una guaina di garza che viene bagnata con acqua distillata prima di ogni osservazione.Lo strumento dispone di un aspiratore di aria con movimento elettrico o a molla. I bulbi sono posizionati dentro opportuni condotti di aspirazione, così da essere immersi in un flusso d'aria che viene fatta scorrere con velocità compresa fra 4 m/s e 10 m/s.Si chiama termometro a bulbo bagnato quello ricoperto con la garza intrisa d'acqua; si chiama termometro a bulbo asciutto l'altro. Analogamente si parla anche di termometro bagnato e termometro asciutto.Per effettuare la misura si bagna la garza con acqua distillata e quindi si mette in funzione l'aspiratore, in modo da provocare una ventilazione uniforme su entrambi i bulbi.

Figura 38 - Psicrometri

Il flusso d'aria sul bulbo bagnato provoca l'evaporazione dell'acqua distillata a spese del calore del bulbo, la cui temperatura diminuisce fino a quando l'evaporazione si arresta, cioè fino a quando si raggiunge la pressione di vapore saturo. A quel punto la temperatura si stabilizza e l'osservatore legge i valori di temperatura sia del termometro bagnato che di quello asciutto. La temperatura letta sul termometro a bulbo asciutto è la temperatura t dell'aria, quella letta sul termometro a bulbo bagnato è la temperatura di bulbo bagnato tw.


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Dalla differenza fra le due temperature si risale al valore dell'umidità relativa Ur e della temperatura di rugiada td, usando apposite tabelle precalcolate.La differenza fra le temperature misurate risulta tanto più piccola quanto più l'aria si avvicina alla saturazione; al limite le due temperature risultano uguali quando l'aria è satura (cioè Ur = 100%).Le grandezze psicrometriche sono legate dalla relazione:

e = E(tw) – A P(t-tw) (1)

dove:e = pressione effettiva del vaporetw = temperatura di bulbo bagnatoE(tw) = pressione di vapore massima in corrispondenza di tw (pressione di vapore saturo)A = costante psicrometrica (dipende dalla velocità di ventilazione e dal fatto che la garza sia bagnata o ghiacciata.P = pressione atmosfericat = temperatura di bulbo asciutto

Per valori di velocità compresi fra 4 m/s e 10 m/s la costante psicrometrica vale: A = 0,00067 e perciò alla pressione P = 1000 hPa la relazione (1) diventa:

e = E(tw) - 0,67(t-tw) (2)

In pratica la (2) è quella utilizzata per calcolare le tabelle attraverso le quali si risale al valore di Ur. Poiché nella realtà la pressione atmosferica vera è diversa dal valore di 1000 hPa, bisogna apportare adeguate correzioni (anch'esse opportunamente tabulate)Tali correzioni sono negative se P > 1000 hPa; sono positive se P < 1000 hPa.

Psicrometri August e AssmannGli psicrometri August e Assmann sono molto simili fra loro e il principio di funzionamento è lo stesso (vedi fig. 38).Lo psicrometro August ha funzionamento ottimale dentro la capannina, dove è meglio protetto dall'irraggiamento.Lo psicrometro Assmann è più maneggevole e consente una buona precisione sia dentro che fuori la capannina, perché i termometri sono meglio protetti dall'irraggiamento. Inoltre, per la posizione dell’aspiratore, garantisce un flusso d’aria più uniforme e costante.La misura dell'umidità dell'aria è una operazione delicata che richiede la massima meticolosità nell'applicazione di quelle procedure che permettono di ottenere i risultati più precisi.Per bagnare il bulbo bisogna usare acqua distillata, tenendo sempre pulito e chiuso il recipiente che lo contiene. Se si adoperasse acqua contenente sali vari o impurità, si otterrebbe una temperatura errata, perché la presenza di impurità richiede una diversa quantità di calore per la sua evaporazione. Inoltre sali e impurità, alla lunga, sporcano sia la garza che il bulbo, modificandone le caratteristiche termiche. In mancanza di acqua distillata si può usare acqua piovana raccolta direttamente in un recipiente ben pulito.La garza deve avere una trama di spessore opportuno, né troppo fine né troppo grosso. Se la garza assorbe poca acqua questa può evaporare tutta prima che si raggiunga la saturazione; mentre se la garza assorbe troppa acqua, di cui solo una piccola parte può evaporare, causa una sottrazione di calore insufficiente. A tal fine si utilizza garza mussolina, dalle caratteristiche ottimali.La garza va cambiata settimanalmente per mantenerla libera da impurità e può essere recuperata previo lavaggio con sapone neutro e sciacquo con acqua distillata.Periodicamente il bulbo bagnato va pulito dalle incrostazioni dovute a eventuali sali disciolti nell'acqua o trasportati nell'aria.Di tanto in tanto occorre verificare il corretto funzionamento del sistema di ventilazione, in modo che il flusso d'aria abbia la velocità prescritta e la mantenga costante durante tutto il rilevamento.


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Scheda di approfondimento n.1 - CAPILLARITA’La risultante delle forze di interazione che agiscono su una generica molecola di un fluido viene chiamata:● forza di coesione se si sviluppa fra molecole identiche: è la forza che tiene insieme le sostanze.● forza di adesione se si sviluppa fra molecole diverse: è la forza che fa attrarre sostanze diverse.La condizione di equilibrio di un fluido in presenza di più sostanze è determinata dalla risultante delle forze di adesione e di coesione. E’ la situazione, ad esempio, di un fluido a contatto con le pareti del contenitore, come il mercurio o l’alcool contenuti dentro la canna termometrica di vetro. Tale situazione può essere schematizzata dalla figura seguente:

Ogni molecola del liquido che si trova vicino alle pareti e al gas sovrastante, è soggetta alle forze:forza di coesione Fc esercitata su di essa dalle altre molecole di fluido e, perciò, diretta verso l’interno del fluido stesso.forza di adesione liquido-gas Fa,a diretta verso l’interno del gas.forza di adesione liquido-solido Fa,s diretta verso l’interno del solido.La Fa,a è così debole (nulla se il gas è sostituito dal vuoto) da essere trascurabile rispetto alle altre due forze. Quindi sulla molecola agiscono Fc e Fa,s la cui risultante è diversa da zero ed è quella che fa salire o scendere la molecola del liquido a contatto con la parete, a seconda di come è diretta tale risultante. Si possono avere due casi:


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dove Ф è l’angolo di raccordo (angolo fra la tangente alla superficie del liquido, nel punto di contatto con la parete, e la verticale, misurato in senso antiorario). Esso dipende dall’accoppiamento liquido – solido. Per esempio:Acqua – vetro Ф = 0°Benzina – vetro Ф = 26°Acqua – paraffina Ф = 107°Acqua – teflon Ф = 127°

Il caso a) è quello in cui la risultante FR spinge la molecola di liquido verso la parete (si dice che il liquido “bagna” la parete). Il caso b) è quello in cui la risultante FR allontana la molecola di liquido dalla parete (si dice che il liquido “NON bagna” la parete). La forza di adesione si manifesta su tutte le molecole che sono a “breve” distanza dalla parete e quindi l’incurvamento del menisco si osserva solo in prossimità della parete ( distanza circa ≤1 mm).Se il tubo ha diametro sufficientemente “grande” il centro del menisco rimane quindi piano e vale il principio dei vasi comunicanti.


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Se, invece, il tubo ha diametro sufficientemente “piccolo” tutte le molecole al suo interno sono così vicine alle pareti da essere soggette alla forza di adesione, anche se il suo modulo varia in modo inversamente proporzionale alla distanza della molecola dalle pareti. Perciò il menisco è del tutto concavo (se il liquido “bagna” la parete) o del tutto convesso (se il liquido “NON bagna” la parete). In questo caso si parla di capillarità (diametro max tubo qualche decimo di mm) e non vale più il principio dei vasi comunicanti: il liquido che “bagna” la parete sale tanto di più quanto il diametro del capillare è piccolo mentre il liquido che “NON bagna” la parete fa l’opposto.

Come spiegare questo fenomeno? Nel caso di tubi larghi, il menisco è curvo solo vicino alle pareti (quindi è curvo in proporzione trascurabile) e quindi la tensione superficiale risultante è orizzontale, cioè è diretta perpendicolarmente alle pareti. Se invece il tubo è capillare e se, per fissare le idee, il liquido bagna le pareti, il menisco è completamente concavo e quindi la tensione superficiale risultante F non è più diretta perpendicolarmente alle pareti, ma verso l’alto (come indicato nella fig. seguente):

La tensione superficiale F può essere scomposta nella componente normale alla parete (di modulo FsenФ, che è annullata dalla reazione vincolare della parete rigida) e nella componente parallela alla parete, di modulo FcosФ. Tale componente è la forza responsabile del sollevamento della molecola di liquido verso l’alto, dando così origine al fenomeno di capillarità. Naturalmente, se il liquido “NON bagna” la parete, tale componente è diretta verso il basso e il liquido tende a scendere. Naturalmente la molecola di liquido non sale (o scende) all’infinito, ma solo fino a quando la forza FcosФ viene equilibrata dalla forza peso.Si può dimostrare che l’altezza h a cui può risalire (o scendere) una molecola di liquido in un capillare è:

h = 2 γcosФ / ρ r g (Legge di Jurin)


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dove:γ = coefficiente di tensione superficiale; varia a seconda del liquido.Ф = angolo di raccordo; varia a seconda dell’accoppiamento liquido – solidoρ = densità del liquidor = raggio del condotto capillareg = accelerazione di gravità

Si osserva che h è tanto maggiore quanto più grande è il coefficiente di tensione superficiale e quanto più piccoli sono il raggio del capillare e la densità del liquido.Inoltre , il liquido sale se cosФ >0 (0< Ф <Π/2), scende se cosФ <0 (Π/2< Ф <Π).


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Scheda di approfondimento n.2 - EQUAZIONI LINEARISi chiamano equazioni lineari le equazioni algebriche di primo grado. Un’equazione lineare può avere una o più incognite. Detto n il numero di incognite x1, x2,..., xn, detti a1, a2,…, an, i coefficienti delle incognite, detta k una costante numerica, la forma generale di un’equazione lineare è:

a1 x1 + a2 x2 + …….. + an xn + k = 0

Per n=1: a1 x1 + k = 0 Es.: ax + b = 0

Per n=2: a1 x1 + a2 x2 + k = 0 Es.: ax + by + c = 0

Per n=3: a1 x1 + a2 x2 + a3 x3 + k = 0 Es.: ax + by + cz + d = 0

In geometria, per n=1 l’equazione lineare rappresenta l’ascissa di un punto sull’asse x; per n=2 l’equazione lineare rappresenta una retta su un piano x,y; per n=3 l’equazione lineare rappresenta un piano nello spazio x,y,z; in generale un’equazione lineare di n incognite rappresenta uno spazio a n-1 dimensioni nello spazio euclideo n-dimensionale.Un caso particolarmente interessante, per le sue applicazioni pratiche nella costruzione di strumenti meteorologici, è quello dell’equazione lineare a due incognite ax + by + c = 0, che si può anche scrivere nella forma:

1) y = mx + q dove: m = - a/b , q = - c/b

La 1) viene chiamata equazione della retta in forma esplicita o anche equazione della funzione lineare, perchè indica che l’incognita y dipende linearmente (cioè come indicato dalla retta grafico dell’equazione) dall’incognita x. Il numero m si chiama coefficiente angolare della retta (cioè ne determina la pendenza); il numero q si chiama ordinata all’origine della retta (perchè è l’ordinata del punto di intersezione della retta con l’asse y). Se q = 0 la retta passa per l’origine. Se m>0 la retta forma un angolo acuto con l’asse x; se m<0 la retta forma un angolo ottuso con l’asse x.

y = mx y = mx , m = 1


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y = mx + q , m > 0 y = mx + q , m < 0

L’incognita x viene chiamata variabile principale e l’incognita y viene chiamata variabile dipendente, nel senso che il valore assunto da y dipende dal valore che viene dato a x (con m e q noti). Se le variabili x e y sono legate fra loro da un’equazione lineare, si dice che la variabile y dipende linearmente dalla variabile x (e viceversa)

grafico A grafico B


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E’ importante osservare che, in caso di dipendenza lineare (graf.A), ad ogni incremento ∆x corrispondono uguali incrementi ∆y, indipendentemente dalla posizione in cui si prende ∆x sull’asse delle ascisse. La conseguenza pratica è che, in uno strumento che permette di misurare il valore della grandezza fisica y in funzione della variazione lineare di un’altra grandezza fisica x, la scala graduata è lineare, cioè le sue divisioni hanno tutte la stessa larghezza (sensibilità costante).Se invece la dipendenza far le due variabili non è lineare (come nel graf.B), ad ogni incremento ∆x corrispondono incrementi ∆y diversi fra loro, a seconda della posizione in cui si prende ∆x sull’asse delle ascisse. Di conseguenza , la scala graduata dello strumento non può essere lineare e quindi le sue divisioni dovranno avere larghezza variabile (sensibilità variabile).

Le seguenti equazioni, che descrivono fenomeni fisici utilizzati per la costruzione di strumenti meteorologici, sono tutte equazioni lineari:

Legge dei gas perfetti : T = V/R ∙ P con P = costE’ del tipo: y = mx con y = T, x = P, m = V/R

Legge di dilatazione lineare: l = l0λT + l0 E’ del tipo: y = mx + q con y = l, x = T, m = l0λ, q = l0

Variaz. resist. elettrica: RT = a R0 T + R0

E’ del tipo: y = mx + q con y = RT, x = T, m = a R0, q = R0

Termocoppia E = a TE’ del tipo: y = mx con y = E, x = T, m = a

Per esempio, un termometro ordinario a mercurio funziona sfruttando la dilatazione lineare della colonna di mercurio in funzione della variazione di temperatura. Proprio perché tale dipendenza è lineare, si può costruire la scala graduata dividendo in 100 parti uguali l’intervallo compreso fra i due punti fissi (temperatura di fusione del ghiaccio e temperatura di ebollizione dell’acqua). Inoltre, proprio per la dipendenza lineare fra temperatura e dilatazione del mercurio, la scala di misura può essere prolungata sotto 0°C e sopra 100 °C , con divisioni sempre di uguale larghezza.


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Scheda di approfondimento n.3 - RICHIAMI DI TEORIA DEGLI ERRORITutte le misure, per quanto fatte con cura e utilizzando gli strumenti più precisi, sono soggette a incertezza. Pertanto ogni misura va sempre espressa indicando l’errore ad essa associato.La parola “errore di misura” non ha il significato di “sbaglio” o “svista”, ma indica l’inevitabile incertezza che è presente in tutte le misure.

RAPPRESENTAZIONE DI UNA MISURA Il modo corretto di indicare il risultato di una qualunque misura di una grandezza fisica è quello di indicare la stima migliore della grandezza e l’errore assoluto ad essa associata, cioè l’intervallo entro cui si ritiene che si trovi la stima migliore.Esempio:Se si usa un termometro ordinario con sensibilità al °C per misurare la temperatura atmosferica, è possibile che si ottenga il seguente risultato:

Tatm = 16,5 ± 0,5 °CQuesta scrittura significa che la stima migliore di Tatm si trova nel punto di mezzo dell’intervallo di valori compresi fra 16,0 e 17,0 °C.

Altri esempi:g = 9,82 ± 0,02 m/s2

V = 27, 3 ± 0,5 m/sP = 79 ± 1 kgR = 250 ± 20 Ω

CIFRE SIGNIFICATIVESi supponga di avere pesato un oggetto con una bilancia. Se si scrivesse il risultato nella forma:P = 37, 2 ± 5 gsi scriverebbe una cosa senza senso fisico. Infatti, l’errore di 5 significa che già la cifra 7 non è sicura e quindi è assurdo tenere altre cifre alla sua destra, la cui incertezza è ancora più grande. Quindi il risultato precedente deve essere approssimato e scritto nella forma:P = 37 ± 5 g

Lo stesso discorso è valido quando una misura viene ricavata da una “formula”, eseguendo i calcoli a mano o con la calcolatrice. Se, ad esempio, si calcola la Tmedia giornaliera, la calcolatrice potrebbe fornire il risultato:Tmedia = 23.875 °CSe l’errore associato alla misura è di 0,5 °C, il modo corretto di indicare la misura effettuata è:Tmedia = 23.9 ± 0,5 °CIn altre parole, le cifre 75 del risultato ottenuto non sono significative (anche se ottenute da una calcolatrice “che non sbaglia mai”), perché l’errore di misura di 0,5 °C significa che già la cifra 8 è incerta e quindi scrivere altre cifre a destra di questa non avrebbe alcun significato.

In generale, si può dire che l’ultima cifra significativa di qualunque risultato dovrebbe essere dello stesso ordine di grandezza dell’errore.Esempi:- Il risultato 62,82 con errore di 0,2 dovrebbe essere arrotondato e scritto nella forma 62,8 ± 0,2- Il risultato 62,82 con errore di 2 dovrebbe essere arrotondato e scritto nella forma 63 ± 2- Il risultato 62,82 con errore di 20 dovrebbe essere arrotondato e scritto nella forma 60 ± 20


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ERRORE ASSOLUTO / ERRORE RELATIVOData la misura della temperatura atmosferica:Tatm = 16,5 ± 0,5 °Cl’incertezza di 0,5 °C, associata alla stima migliore del valore della grandezza fisica, si chiama errore assoluto (∆).Se invece facciamo il rapporto fra l’errore assoluto e la stima migliore del valore della grandezza fisica, si ottiene l’errore relativo (δ). Nel caso della misura della Tatm considerato in precedenza, l’errore relativo vale:δ = 0.5/16,5 = 0.03 = 3 %

L’ errore relativo è molto importante per capire la bontà (precisione) di una misura. Ad esempio, supponiamo di fare due misure di lunghezza di oggetti diversi con l’errore assoluto di un millimetro. Se la prima misura dà come risultatoL1 = 1000 ± 1 mm δ1 = 0,1 %L2 = 10 ± 1 mm δ2= 10 %Si vede facilmente che l’errore assoluto è lo stesso in entrambe i casi, ma la misura L1 è, relativamente a L2, 100 volte più precisa.Esempio:Si supponga di avere due diverse misure:V1 = 510 ± 5 m/sV2 = 0,510 ± 0,005 m/sApparentemente V2 sembra una misura molto più precisa di V1, perché l’errore assoluto è molto più piccolo. Però, se si calcola l’errore relativo si osserva che in entrambe i casi esso vale 1 % e quindi si può concludere che le due misure hanno la stessa precisione (o, che è lo stesso, la stessa incertezza).

E’ importante ricordare sempre che l’errore assoluto ha la stessa unità di misura della grandezza fisica, mentre l’errore relativo è un numero puro (adimensionale).

PROPAGAZIONE DEGLI ERRORIPuò essere necessario fare delle misure indirette di grandezze fisiche, cioè ricavare delle grandezze fisiche per mezzo di equazioni (“formule”) che utilizzano delle misure dirette.Ad esempio, l’escursione termica giornaliera si misura indirettamente con la formula:ET = Tmax – Tmin

Come si fa a calcolare l’errore assoluto da associare a ET?

Per calcolare gli errori nelle misure indirette è opportuno ricordare quanto segue:

Nelle somme o addizioni l’errore assoluto del risultato è dato sempre dalla somma degli errori assoluti.Esempio:Tmax = 15,6 ± 0,2 °CTmin = 4,5 ± 0,2 °CET = Tmax – Tmin = 11,1 ± 0,4 °C

Nelle moltiplicazioni o divisioni l’errore relativo del risultato è dato sempre dalla somma degli errori relativi. L’ errore assoluto da associare al risultato si calcola una volta noto l’errore relativo.Esempio:V = S / T con S = 2,54 ± 0,01 m δs = 0,01/2,54 = 0,4 %

T = 0, 32 ± 0,01 s δt = 0,01/0,32 = 3,1 %


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δv = δs + δt = 3,5 %Si ricava allora:V = 2,54 / 0,32 = 7,9375 m/s∆V = 7,9375 m/s · 3,5 % = 7,9375 m/s · 0.035 = 0,2778125 m/s = 0,3 m/sIn definitiva la misura di V è:V = 7,9 ± 0,3 m/s

Nelle moltiplicazioni (divisioni) fra una grandezza misurata e un numero esatto A, l’errore relativo del risultato è A (1/A) volte quello della grandezza misurata.Esempio:m = 32, 5 ± 0,1 g δm = 0,1/32,5 = 0,3 %10 m = 325 ± 10 g perché δ 10 · m = 10 · 0,3 % = 3 % = 0,03

∆10 · m = 32,5 g · 0,03 = 9,75 g = 10 g

CONFRONTO DI DUE MISURESpesso è necessario confrontare tra loro misure diverse di una stessa grandezza fisica, eventualmente ottenute con metodi o strumenti diversi, per verificare se esse sono tra loro “consistenti”. Il confronto deve essere sempre fatto considerando le misure con i rispettivi errori assoluti. Esempio:Si supponga di avere misurato la Tmedia giornaliera in una stazione meteo italiana sia con la formula esatta che con la formula empirica e si vogliano poi confrontare i due risultati, per verificare se la formula empirica è efficace. Si supponga di avere ottenuto i seguenti risultati:(Tmedia)ESATTA = 22,8 ± 0,5 ° C(Tmedia)EMPIR = 22,5 ± 0,5 ° CSe si confrontassero tra loro solo le stime migliori delle due misure (22,8 e 22,5), si dovrebbe concludere che le due misure non sono consistenti fra loro (cioè non sono “uguali”). Se però si considerano gli errori assoluti, si osserva che (Tmedia)ESATTA varia nell’intervallo 22,3 – 23,3 mentre (Tmedia)EMPIR varia nell’intervallo 22,0 – 23,0. Questo significa che le due misure si “sovrappongono” nell’intervallo 22,3 – 23,0 e quindi si può affermare che esse sono consistenti fra loro. Tanto più ampio è l’intervallo di sovrapposizione, tanto più le due misure sono consistenti fra loro.Se, viceversa, l’intervallo di sovrapposizione fosse molto piccolo o addirittura non esistesse, bisognerebbe dire che le due misure sono poco o per niente consistenti tra loro.

DISCREPANZASi chiama discrepanza la differenza fra due valori misurati della stessa grandezza. Se due misure sono consistenti,la discrepanza non è significativa perché è minore dell’errore assoluto. Nell’esempio precedente la discrepanza vale:discrepanza = (Tmedia)ESATTA - (Tmedia)EMPIR = 0,3 °C ed è minore dell’errore assoluto pari a ± 0,5 °C


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Scheda di approfondimento n-4 - NONIO O VERNIERO

Nonio Decimale

Impiego del nonio decimale

1) Tacche coincidenti

Osservando la raffigurazione del nonio decimale, si osserva che valgono le seguenti equazioni:a) l = 2 + x

b) L = x + 4 ∙ 9/10 = 4 mm, cioè x + 36/10 = 4

Sviluppando l’equazione b) abbiamo:

x = 4 – 36/10 = (40 – 36) / 10 = 4 / 10 = 0,4

Sostituendo il valore di x nell’equazione a) si trova il valore della misura l:

l = 2 + 0,4 = 2,4 mm


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2) Tacche NON coincidenti

Osservando la raffigurazione del nonio decimale, si osserva che vale la seguente:

6,4 mm < l < 6,5 mm

Di conseguenza, la stima migliore per la misura l è:

l = 6,45 ± 0,05 mm

Esempi:


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1 METEOROLOGIAParola derivante dal greco, composta da “meteoron” (oggetti “alti nel cielo”) e “logos” (“ studio”).

2 ARISTOTELEUno dei massimi pensatori greci, nato a Stagira nel 384 a.C. e morto a Calcide nel 322 a.C.. A 17 anni iniziò a frequentare l’Accademia fondata ad Atene dal grande filosofo Platone, rimanendovi poi per vent’anni come insegnante. Nel 335 a.C. fondò una sua scuola (“liceo”) ad Atene, raccogliendo intorno a sé altri pensatori e scolari, studiando e trattando tutti i campi della conoscenza contemporanea. In particolare, attorno al 340 a.C. scrisse il libro “Meteorologica”, in cui raccolse sue speculazioni e osservazioni sull’origine dei fenomeni atmosferici e celesti.

3 TEOFRASTONato a Lesbo nel 371 a.C. e morto ad Atene nel 287 a.C., fu il principale allievo di Aristotele e lo sostituì poi alla guida del suo “liceo”. Sembra che si sia occupato di tutti gli argomenti affrontati dal suo maestro Aristotele, in molti casi ampliandoli e approfondendoli. In particolare, fu il primo vero botanico e si occupò anche di fisica e geologia. Una sua opera, intitolata “Il libro dei segni” trattava della possibilità di prevedere il tempo meteorologico in base all’osservazione dei fenomeni.

4 UTC e OROLOGIO ATOMICOUTC = Universal Time Coordinated, Tempo Medio Universale, coincide con l’orario ZULU (o GMT). La misura del tempo ha la precisione massima consentita dall'uso di orologi atomici.L’orologio atomico è un tipo di orologio in cui la base del tempo è determinata dalla frequenza di risonanza di un atomo. Mentre un orologio meccanico utilizza l’oscillazione di un pendolo per dividere il tempo in intervalli uguali, un orologio atomico usa l’oscillazione che avviene all’interno degli atomi quando essi vengono fatti transitare in un campo magnetico. La frequenza di tale oscillazione atomica è sempre costante e perciò si rivela preziosissima come riferimento standard per la misura del tempo.Utilizzando un orologio atomico al cesio, nel 1967 il “secondo” venne ridefinito come il tempo impiegato per effettuare 9.192.631.770 cicli (oscillazioni) della radiazione corrispondente alla transizione tra due specifici livelli energetici dello stato fondamentale dell’atomo del cesio. La precisione di questo tipo di orologio è di 10-9 s al giorno. Un tale livello di precisione è necessario, oltre che per determinare l’ora ufficiale in tutto il mondo, per la navigazione satellitare: maggiore è la precisione di misura dei tempi di percorrenza dei radiosegnali emessi dal sistema, maggiore è la sua precisione nella determinazione della posizione.La costruzione degli orologi atomici è in continua evoluzione: il più recente impiega ioni di mercurio e consente un livello di precisione di cinque ordini di grandezza rispetto al cesio (cioè un errore di soli 10-14 s al giorno). In pratica, ciò corrisponde a un errore di 1 s in 4,5 miliardi di anni.

5 PIRANOMETROStrumento di misura della radiazione solare globale (unità di misura: W/m2), cioè dell’energia dovuta alla radiazione diretta del sole e a quella diffusa e riflessa dal cielo e dai sistemi nuvolosi.

6 ELIOFANOGRAFOStrumento di misura che registra la durata dell’insolazione durante una giornata, cioè il periodo di tempo durante il quale la radiazione solare giunge sulla superficie terrestre con un’intensità superiore a un minimo prefissato. Al termine della giornata, confrontando il tempo di insolazione effettiva registrata dallo strumento con il tempo che il sole ha trascorso sopra l’orizzonte, si può determinare l’insolazione relativa (detta anche “frazione di insolazione) di quella giornata.

7 CAPILLARITA’Vedi scheda n° 1

8 TALLIOSimbolo: Tl Numero atomico 81Peso atomico 204,38Metallo morbido e malleabile, che assume un colore grigio-blu se esposto all’aria. Fonde a 304°C, bolle a 1457°C, ha densità relativa 11,85.Il tallio si lega con il mercurio formando un metallo allo stato liquido, con temperatura di solidificazione di circa -58°C. Fu scoperto nel 1861. Si trova come impurezza in vari minerali (pirite, ematite, sfalerite); si estrae dalle polveri dei forni di pirite o dai fanghi prodotti nelle camere di piombo usate per la produzione di acido solforico.

9 INVARLega metallica di ferro e nichel a basso tenore di carbonio (Fe 63,8%, Ni 36%, C 0,1 % max) contenente tracce di altri elementi (Mn, Ph, S, Si,Cb, Cr, Mb), aggiunti a scopo di migliorarne la lavorabilità oppure non eliminati completamente durante il ciclo produttivo. La principale caratteristica è il suo coefficiente di dilatazione termico bassissimo: da 0,63 a 2 parti per milione. Ciò significa che un’asta di Invar lunga 10 km si allungherebbe fra 0,63 e 2 cm (a seconda della composizione), in corrispondenza dell’aumento di 1 °C di temperatura. Questa caratteristica lo rende adatto alla costruzione di strumenti scientifici di precisione. I limiti sono una difficile lavorabilità e una certa instabilità della struttura, che può dar luogo a piccole deformazioni dimensionali dei pezzi costruiti con tale lega.

10 NICHELSimbolo: NiNumero atomico 28Peso atomico 58,69Metallo bianco argenteo, duro, malleabile e duttile. Ha ottima resistenza all’ossidazione ed è usato in numerose leghe in quanto conferisce ad esse particolari proprietà. I suoi usi principali comprendono: acciaio inossidabile e altre leghe resistenti alla corrosione, leghe ad alta permeabilità magnetica, batterie ricaricabili.

11 EQUAZIONI LINEARIVedi scheda n° 2

12 COSTANTANALega metallica di rame e nichel (Cu 60%, Ni 40%). In ambito elettrotecnico viene utilizzata per la realizzazione di resistori.

13 MANGANINALega metallica di rame, manganese, nichel e ferro (Cu 85%, Mn 12%, Ni 2%, Fe 1%), utilizzata per la produzione di resistori elettrici.

14 CROMELLega metallica di nichel e cromo (Ni 90%, Cr 10%). E’ utilizzata per la produzione di termocoppie.

15 ALUMELLega metallica di nichel con presenza di alluminio, manganese e silicone in percentuale massima del 5%. E’ utilizzata per la produzione di termocoppie.

16 ERRORI DI MISURAVedi scheda n° 3

17 NONIOVedi scheda n° 4

18 ARGENTANALega metallica di rame, zinco, nichel (Cu 50-60%, Zn 15-30%, Ni 10-30%), avente buone caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione. L’aspetto è molto simile a quello dell’argento. E’ chiamato anche ARGENTONE o ALPACCA.

19 SIMILOROLega metallica di rame e stagno (Cu 50-60%, ), avente buona resistenza alla corrosione e facilmente lavorabile. E’ particolarmente duttile, per cui si presta a essere lavorata in fogli sottilissimi e, avendo aspetto simile all’oro, viene usato per lavori di doratura.

20 EQUAZIONE IPSOMETROLa temperatura di ebollizione di un liquido TE varia in funzione della pressione P a cui il liquido è sottoposto. Per l’acqua tale temperatura è 100°C alla pressione di 1013,25 hPa. TE diminuisce se P diminuisce e viceversa; da misure sperimentali risulta che TE varia di una quantità pari a 1/35,8 °C per ogni hPa di variazione di P. Di conseguenza, la legge di variazione di TE in funzione di P è espressa dall’equazione:

TE = 100 + (P – 1013,25) / 35,8 °C

Si osserva che:Per P = 1013,25 hPa TE = 100°CPer P > 1013,25 hPa TE > 100°CPer P < 1013,25 hPa TE < 100°CDall’equazione precedente si ricava P in funzione di TE per fare la misura indiretta della Patm

tramite ipsometro.

ISTITUTO TECNICO AERONAUTICO STATALE “FRANCESCO … · Meteorologia (UGM) il ruolo di direzione,...

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