Vento e pioggia: la meteorologia in classe Teach article

Traduzione a cura di : Rocco G. Maltese. Perché piove? Possiamo prevederlo? Forniamo agli studenti di fisica una massa di dati meteorologici e alcune informazioni tecniche, e potranno iniziare a lavorare da soli.

La termodinamica è una parte della fisica che si studia in molte delle scuole superiori – ma quanti studenti riescono a collegarla con gli eventi meteorologici di tutti i giorni anche se sono governati dalle stesse variabili che si incontrano in termodinamica (temperatura, pressione e così via)? Abbiamo deciso che avremo cercato di rendere questo collegamento più chiaro agli studenti, domandando loro di indagare autonomamente come tali variabili possono influenzarsi l’una con l’altra nell’ambiente, attraverso lo studio  di dati scientifici reali.

Alla fine di questa attività, gli studenti rimasero impressionati dalla logica con la quale questi fenomeni naturali sono collegati tra loro – e allo stesso tempo essere elettrizzati per l’esperienza di lavorare con una istituzione scientifica al vertice, come l’Osservatorio Nazionale di Atene, Grecia. 

Image courtesy of versageek; image source: Flickr
Immagine gentilmente concessa versageek; fonte: Flickr

Obiettivi

Il nostro obiettivo era quello di estendere la termodinamica che si studia nella scuola superiore allo studio di uno dei più importanti composti gassosi della Terra: l’atmosfera. Per far ciò abbiamo individuato una attività nella quale gli studenti potessero utilizzare dei dati reali provenienti da una stazione meteorologica per indagare come temperatura e pressione interagiscono nell’atmosfera Terrestre, e di come queste variabili sono collegate ad altre importanti quantità fisiche (umidità relativa, punto di rugiada e la direzione del vento).  

In questo articolo, forniamo i dettagli della nostra attività e mostreremo alla stregua di esempio, i nostri risultati. Speriamo che questi siano di ispirazione per la ripetizione di questo esperimento con dati locali della propria regione.

L’attività, per se stessa si svolte per un periodo di 6 ore, sebbene potreste aver bisogno di ulteriori 4 ore per assicurarvi che gli studenti padroneggino le conoscenze per cominciare a lavorare.

Preparativi

Prima di iniziare l’attività, gli studenti dovrebbero acquisire in classe le abilità e conoscenze delle seguenti aree:

  • Legge dei gas e relative variabili

  • Altre variabili termodinamiche (umidità relativa, punto di rugiada) e la teoria di come sono correlate alla temperatura e alla pressione

  • Elementi base della Meteorologia (programmate 2 ore per svolgere questo argomento, se lo riteniate necessario). Questi elementi di base dovrebbero comprendere: sistemi di alta e bassa pressione e le condizioni meteorologiche che provocano; masse d’aria e fronti; venti globali e jet stream; e come si legge una mappa del tempo. Gli studenti dovrebbero anche essere in grado di trarre delle conclusioni logiche sulle condizioni meteorologiche quotidiane, come ad esempio ‘Quando il vento proviene dal mare, l’umidità relativa aumenta’. (La sezione con i riferimenti alla fine dell’articolo fornisce i link a video di ausilio all’insegnamento di tali specifici argomenti.)

  • Conoscenze di come si costruiscono i grafici mediante il computer. L’Excel della Microsoft è il programma ideale per questo tipo di esercitazioni, è facile estrarre i dati da tabelle per la costruzione di grafici. Programmate circa 2 ore per insegnare come si usa Excel se lo ritenete necessario (questo può essere affrontato nella lezione di tecnologie informatiche o in scienze).

Cercare una sorgente adatta di dati. Abbiamo due opzioni da poter scegliere: contattare una organizzazione che si occupa di meteorologia che volontariamente possa fornire i dati per un anno precedente o quelle attuali (la nostra fonte fu il Laboratorio Nazionale di Atene) o sfruttare i dati della propria stazione meteorologica. In entrambe le opzioni, avrete bisogno dei dati delle variabili che desiderate studiare. Noi potremo suggerire di studiare le seguenti variabili:

  • Pressione atmosferica

  • Temperatura dell’aria

  • Umidità relativa

  • Punto di rugiada

  • Direzione del vento

La quantità di dati di cui dovrete disporre dipenderà da cosa desiderate studiare. Per esempio, se desiderate studiare le variazioni della temperatura dell’aria durante il periodo di un mese, dovreste disporre di 1 – 2 letture quotidiane per i 30 giorni. Invece, se desiderate studiare le variazioni della temperature dell’aria dal giorno alla notte, avrete bisogno di una misura ogni 30 minuti per alcuni giorni.

Noi abbiamo preferito utilizzare I dati del periodo invernale, perché nelle regioni del Mediterraneo, l’inverno è la stagione più meteorologicamente interessante, essendo che si hanno le più grandi variazioni nelle variabile fisiche che volevamo studiare.

Procedura

  1. Dividere gli studenti in gruppi così che ogni gruppo possa lavorare su un differente set di dati. Inizialmente, suggeriamo che gruppi differenti lavorino sui dati di differenti variabili nello stesso periodo di tempo, come mostrato nel grafico sottostante. Si possono utilizzare anche dati di differenti periodi.

  2. Distribuire agli studenti i loro gruppi di dati, e istruire ciascun gruppo affinché creino uno o più grafici dai dati. Quindi dovrebbero costruire i grafici delle variabili sia una in funzione dell’altra che in funzione del tempo (t) per l’intero periodo di riferimento dei dati.

  3. Domandare agli studenti di decidere quale correlazione si può ricavare fra le variabili ed esprimere ciò il più chiaramente possibile. Utilizzando poi, le loro conoscenze di meteorologia, possono suggerire cosa determinano queste correlazioni?

  4. Come ultimo compito, gli studenti potrebbero provare a prevedere le condizioni meteorologiche della propria o di un’altra area, utilizzando i dati reali e i principi che hanno acquisito durante la loro attività.

Risultati

Per spiegare come sono stati utilizzati i dati, presentiamo alcuni esempi dei grafici prodotti nella nostra lezione del Dicembre 2014, insieme alle spiegazioni di quello che hanno rilevato.

L’Osservatorio Nazionale di Atene ha fornito i dati di una area meteorologica collocata nella zona del Mar Ionio (che fa parte del Mediterraneo) nella zona sud – ovest della stazione, e una montagna posta ad est – sud- est dalla stazione (figura 1). Questa posizione si è rivelata ideale, infatti il vento soffiava da direzioni differenti avendo una influenza diretta sulle condizioni meteo. 

Figure 1: Map of Greece, with the position of the weather station indicated by a an orange circle.
Figura 1: Cartina della Grecia, con la posizione della stazione meteorologica indicata da un cerchio arancione.
 

Per illustrare la direzione del vento sui grafici, I 16 punti cardinali della rosa dei venti (S, SSW, SW, WSW, ecc.) sono stati indicati con  differenti colori, come mostrato nella figura 2 e tavola1. (Nota: La direzione del vento è dove proviene e non non dove va.)

Tabella 1: Direzioni del vento
e colori corrispondenti
Figura 2: I 16 punti cardinali della rosa dei venti.
Immagine gentilmente concessa da Nicola Graf

Direzione del vento e temperatura dell’aria

Dalla figura 3, possiamo trarre le seguenti correlazioni:

  • Quando il vento soffia prevalentemente dai quadranti sud-sud-orientali, vi è un incremento della temperatura dell’aria. Questo si può osservare dalla zona del grafico indicata con A. Tali venti sono detti venti discendenti poiché provengono dalla direzione delle montagne e sono naturalmente più caldi e asciutti. (N.d.T. – In generale la massa d’aria discendente si riscalda proprio per il suo movimento verso il basso). Questo a causa l’aria più tiepida nello scendere dalla montagna è anche asciutta, avendo perso molta della sua umidità sulla parete della montagna da dove soffia il vento.

  • La temperatura fluttua tra notte e giorno. E’ più fredda durante la notte e più calda durante il giorno. Questo succede nelle zone del grafico indicate con B e C.

  • Le brezze di terra e di mare caratterizzano un clima più dolce. Quando ci troviamo in presenza di venti umidi durante il giorno e venti più secchi durante la notte, significa che le brezze di mare al mattino (qui da ovest o sud-ovest, come indicato nel punto D) e le brezze di terra serali (qui da est), producono un clima più moderato.

Un altro fenomeno, che non appare nei grafici ma che è stato spesso notato, è che quando vi è un vento proveniente da nord, la temperatura dell’aria, cade improvvisamente. Il vento dai quadranti settentrionali causano una improvvisa diminuzione della temperatura perché provenienti da zone più vicine al Polo Nord, che sono notoriamente più fredde delle nostre.

Figura 3: Direzione del vento e  Temperatura dell’aria.
Immagine gentilmente concessa da Maria Birba e Theodoros Kondilis

Direzione del vento e umidità relativa

Il vento trasporta una differente quantità di umidità a seconda da dove proviene (per esempio da terra o dal mare). Dalla figura 4, possiamo osservare questa correlazione tra la direzione del vento e l’umidità relativa per i nostri luoghi:

  • Quando si hanno prevalentemente venti da est (discendenti), l’umidità reativa diminuisce. (Questo è possibile osservarlo nelle zone A e B del grafico) poiché i venti provenienti dalle montagne sono più caldi e asciutti.

  • Quando i venti provengono da sud o sud-ovest, l’umidità relativa aumenta significativamente. Questo (come nel punto C) dipende dalla provenienza dei venti dal mare.

  • Piccole fluttuazioni dei valori dell’umidità sono collegati alla variazioni di direzione dei venti. Questi venti (vedi l’intervallo D) è probabile che siano più deboli.

  • L’umidità relativa varia durante il giorno. L’umidità relativa è normalmente più elevata durante la notte (come ci appare dalla condensazione) dovuta alle temperature più fredde (vedi il tratto E del grafico), e diminuisce durante il giorno che è più caldo (per effetto dell’evaporazione; vedi il punto F). Quando le nuvole sono assenti durante la notte, per irraggiamento il calore si disperde più facilmente dalla superficie Terrestre, avendosi così un effetto di raffreddamento della temperatura e un aumento dell’umidità.

Figura 4: Direzione del vento e umidità relativa.
 Immagine gentilmente concessa da Maria Birba e Theodoros Kondilis

Umidità relativa, temperatura dell’aria punto di rugiada e precipitazioni

Dalla figura 5 si possono osservare le seguenti correlazioni:

  • Variazioni della temperatura dell’aria sono legate alle variazioni dell’umidità relativa. Questo dovuto al fatto che la stessa quantità di vapore acqueo nell’aria, ad una temperatura dell’aria più elevata significa una umidità relativa più bassa. Così quando la temperatura sale, l’umidità relativa cala.

  • Il punto di rugiada varia in misura minore rispetto alla temperatura. Il punto di rugiada riflette la concentrazione di vapore d’acqua dell’atmosfera. Questo valore è meno variabile rispetto alla temperatura per le località e il periodo che abbiamo studiato.

  • Quando la temperatura dell’aria e il valore del punto di rugiada sono uguali allora è probabile che si abbiano delle precipitazioni. Questo è dovuto al fatto che che al punto di rugiada l’umidità relativa raggiunge il 100%, portando alla condensazione.

Figura 5: Umidità relativa, temperatura dell’aria, punto di rugiada e precipitazioni.
Immagine per gentile concessione di Maria Birba e Theodoros Kondilis

Pressione atmosferica e temperatura dell’aria

Dalla figura 6, si possono trarre le seguenti considerazioni tra la temperatura e la pressione atmosferica in condizioni di alta- e bassa- pressione:

  • La bassa pressione altera la temperatura. Quando una bassa pressione barometrica interessa una regione, si creano dei venti in direzione del centro di questo sistema a causa della pressione che risulta più bassa rispetto a quella presente all’esterno del sistema. Se i venti provengono prevalentemente da zone più calde, allora la temperatura aumenta. Questo fenomeno viene detto intrusione termica. Avviene frequentemente alla nostra stazione meteorologica , quando i sistemi di bassa pressione provenienti da sud-sudovest (il Mediterraneo) arrivano e aumentano la temperatura (come mostrato nei tratti A, B e C del grafico). Se i venti prevalenti provengono da regioni più fredde, allora parliamo di inclusione fredda e la temperatura normalmente decresce – come si vede nel punto G, dove un sistema barometrico di pressione molto basso causa una rapida diminuzione della temperatura negli ultimi due giorni del mese.

  • L’alta pressione porta bel tempo. I fenomeni opposti sono osservati quando un alta pressione barometrica si avvicina ad una regione: i venti sono sono molto deboli o completamente assenti e il cielo è sgombro dalle nubi, ciò significa che siamo in regime di bel tempo.Questo si osserva nell’intervallo da D a E.

  • I sistemi di alta pressione causano l’inversione di temperatura. L’assenza di nuvole incrementa la perdita di calore per radiazione dalla superficie terrestre, raffreddando così sia la superficie terrestre che i bassi strati dell’atmosfera (vedi i punti indicati dalle frecce in F). Questo porta ad un raffreddamento dei bassi strati dell’atmosfera relativamente a quelli che si trovano giusto al di sopra, da qui il concetto di ‘inversione’.

Figura 6: Pressione atmosferica e temperatura dell’aria.
Immagine cortesemente concessa da Maria Birba e Theodoros Kondilis

Pressione atmosferica e le precipitazioni

Dalla figura 7, possiamo osservare le seguenti correlazioni tra pressione atmosferica e precipitazioni:

  • Quando la pressione atmosferica subisce un calo repentino, si possono verificare delle precipitazioni. Quando si avvicina una bassa pressione atmosferica, in genere è accompagnata da venti intensi. Questi venti si muovono in senso antiorario, convergendo al centro del sistema innalzandosi, non avendo altro luogo di dove andare. Le masse d’aria si raffreddano nel loro movimento verso l’alto favorendone la condensazione, formando nuvole e quindi provocando precipitazioni. Ciò si può vedere nel grafico nei punti indicati dalle frecce nel punto A.

  • Quando la pressione atmosferica è alta, le precipitazioni sono improbabili. Quando un sistema di alta pressione si avvicina, i venti sono deboli o quasi assenti. Le masse d’aria convergono dall’alto verso il basso, spostandosi verso il centro del sistema. Nella discesa le masse d’aria si riscaldano, facendo evaporare le piccole gocce invece di condensare. Il risultato è che non vi sono nuvole e ne precipitazioni e il tempo è bello. Ciò si osserva nel segmento B del grafico.

Figura 7: Pressione atmosferica e precipitazioni.
Immagine gentilmente concessa da Maria Birba e Theodoros Kondilis

Note finali

Durante le loro indagini, gli studenti lavorano con grande zelo sentendosi sempre più coinvolti facendo qualcosa di assolutamente inusuale per loro durante un alezione di scienze. Gli insegnanti hanno incoraggiato gli studenti a costruire connessioni tra gli eventi della vita di tutti i giorni e le loro conoscenze scientifiche – così incrementeranno la comprensione dei comuni fenomeni atmosferici, e potranno approfondire le loro conoscenze della termodinamica.

Sorprendentemente, gli studenti furono in grado di utilizzare le loro conoscenze per effettuare delle previsioni meteorologiche a breve termine. Per esempio, notando un incremento della pressione atmosferica e della temperatura, predissero bel tempo per un periodo di 1-2 giorni senza pioggia – in modo preciso.

Riconoscimenti

Gli autori desiderano ringraziare Nickolaos Zounis e Susan Watt per il loro aiuto nella preparazione di questo articolo e nella realizzazione dei grafici.

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Resources

Author(s)

Maria Birba è un fisico e insegnante con un PhD in fisica dell’atmosfera. Dal 2003, ha insegnato in vareie scuole superiori e istituzioni tecnologiche in Grecia, compreso l’Istituto Tecnologico delle Isole Ionie. I suoi interessi professionali comprendono la fisica nucleare e anche la meteorologia, nel 2014 dirige una propria scuola in una competizione internazionale organizzata dal CERN. Ha anche coordinato progetti multilaterali scolastici (Comenius e Erasmus).

Theodoros Kondilis è un ingegnere all’Istituzione Thessaly Larissa, Grecia. Dal 2007, è stato nominato responsabile delle stazioni meteorologiche dell’Ossevatorio Nazionale di Atene. Lavora anche alle previsioni del tempo per il portale del notiziario www.iliatora.gr e anche al www.metar.gr alla televisione pubblica.


Review

Questo articolo descrive in modo godibile l’utilizzo di dati meteorologici dettagliati per studiare la termodinamica delle azioni quotidiane e predire il tempo meteorologico se i set di dati riguardano luoghi limitrofi alla scuola.

Usualmente questo argomento viene trattato a livello molto basso, senza alcun particolare tentativo di estrapolazione o predizione, che rende questa attività una novità per la sua profondità, i dettagli e l’approccio.


Eric Deeson, Regno Unito




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