Il diagramma skew-T

Il diagramma skew-T, detto anche nomogramma di Herlofson, è uno dei grafici più importanti per un meteorologo. Esso contiene tutte le informazioni relative alle trasformazioni termodinamiche che avvengono nell’atmosfera ed è per questo essenziale per analizzare lo stato della colonna d’aria e prevedere l’evoluzione del tempo a breve termine.

Se si chiede a un meteorologo previsore qual è il singolo grafico più importante nel suo lavoro, molto probabilmente la risposta sarà “il grafico skew-T”. È infatti su questo grafico – o diagramma – che vengono riportate le quantità rilevanti per le previsioni e le analisi meteo, calcolate a partire da osservazioni (radiosondaggi) oppure da simulazioni modellistiche. Le quantità di base sono tipicamente temperatura, contenuto di umidità e vento (velocità e direzione). A partire da queste vengono ricavati numerosi parametri utili alla previsione e quantificate le condizioni di instabilità convettiva, che poi forniscono una stima del rischio di fenomeni temporaleschi.

Un esempio di grafico skew-T vuoto è riportato qui sotto. Al lettore digiuno di meteorologia questo diagramma sembrerà tutt’altro che vuoto, ma in effetti esso non contiene altro che informazioni generiche, applicabili all’atmosfera terrestre in qualunque momento e località. È su un grafico vuoto del genere che vengono riportate le quantità misurate o previste per ogni singolo caso. Occorre forse un po’ di tempo per comprendere la struttura del diagramma skew-T, ma il lettore curioso e paziente sarà ricompensato alla fine da una comprensione molto più profonda dei princìpi fisici alla base del comportamento dell’atmosfera.

Esempio di diagramma skew-T log-P vuoto. Prendendo questo come base, i meteorologi tracciano le curve attinenti allo stato misurato o previsto dell’atmosfera.

Il nome completo del grafico è diagramma skew-T/log P (in italiano è detto anche nomogramma di Herlofson, dal nome del meteorologo che lo ideò 70 anni fa). Sull’asse delle ordinate (verticale) abbiamo il logaritmo (log) della pressione (P, espressa in hPa/mbar), considerato con segno negativo in modo che i valori di pressione aumentino verso il basso, com’è normale in atmosfera. Il logaritmo è necessario perché gli strati più bassi dell’atmosfera, che hanno densità – e quindi peso – maggiore di quelli più elevati, siano rappresentati da uno spessore maggiore sul grafico. L’asse delle ascisse (orizzontale) non rappresenta alcuna grandezza specifica, ma piuttosto un mix di quantità congegnato in modo tale che la temperatura (T) sia costante non lungo linee verticali, come solitamente accade, ma lungo linee parallele, inclinate (in inglese skewed, da cui il nome del diagramma) di 45 gradi rispetto all’asse delle ascisse; la temperatura aumenta comunque verso destra come ci si aspetterebbe.

Il diagramma skew-T è strutturato nella maniera peculiare sopra descritta per aumentarne la chiarezza e la leggibilità, che altrimenti risulterebbero ridotte per via del gran numero di curve che appaiono nel grafico. Oltre alle isobare (linee orizzontali di pressione P costante) e alle isoterme (linee inclinate di temperatura T costante), che definiscono il diagramma, abbiamo infatti altri tre tipi di curve: le adiabatiche secche, le adiabatiche sature e le isoigrometriche (vedi immagine sotto).

I cinque tipi di curve che compongono un diagramma skew-T mostrati in una GIF in loop: isoterme (linee continue rosse inclinate di 45°, temperatura in °C), isobare (linee continue blu orizzontali, pressione in hPa), adiabatiche secche (linee continue arancioni inclinate), adiabatiche sature (linee tratteggiate verdi inclinate) e isoigrometriche (linee fucsia tratteggiate inclinate, umidità in g/kg).

Le adiabatiche secche e quelle sature rappresentano il processo di ascesa di una porzione d’aria – che abbiamo chiamato “bolla” in articoli precedenti – a causa dell’instabilità convettiva (o di altri fattori). L’aria in risalita si espande per via della pressione decrescente e quindi si raffredda ad un ritmo ben preciso: 9,8 °C al km durante la prima parte dell’ascesa, quando la bolla non è ancora satura di vapore acqueo (adiabatica secca); 4-6 °C al km dopo, quando l’umidità relativa rimane costante al 100% e il raffreddamento della bolla è compensato dal rilascio del calore latente di condensazione del vapore in goccioline di nube (adiabatica satura).

Il nome adiabatico – dal greco ἀ- (“non”), διὰ- (“attraverso”) e βαῖνειν (“passare”) – deriva dal fatto che non c’è scambio di calore tra la bolla d’aria e l’atmosfera circostante, dal momento che l’aria è un cattivo conduttore termico: la temperatura della bolla d’aria è quindi determinata unicamente dalla sua temperatura e umidità iniziale e dalla quota raggiunta. Il lettore attento noterà che le curve adiabatiche non sono né dritte né perfettamente parallele tra loro: le velocità di raffreddamento riportate sopra sono soltanto indicative e dipendono in realtà da pressione, temperatura e umidità.

Le curve isoigrometriche costituiscono infine il riferimento relativo all’umidità: ognuna di esse è infatti associata ad un valore di umidità costante, aumentando verso destra. Ognuna delle curve che appaiono in un diagramma skew-T rappresenta soltanto un aspetto termodinamico dell’atmosfera, ma occorre considerarne almeno due alla volta per caratterizzare pienamente l’evoluzione di una bolla d’aria in ascesa e/o lo stato dell’atmosfera. Nel prossimo articolo di questa serie “estiva” inizieremo a spiegare gradualmente come fare ciò, con esempi relativi a situazioni meteo realmente avvenute.