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livello elementare
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ARGOMENTO: NAUTICA E NAVIGAZIONE
PERIODO: NA
AREA: DIDATTICA
parole chiave: strumentazione, barometro
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I marinai sanno che quando la pressione scende non è un buon segno. Ma come fanno ad accorgersene? Semplice, utilizzando il barometro, uno strumento nautico che misura la pressione atmosferica e può aiutare a prevedere l’andamento meteorologico in mare. Il barometro fu scoperto circa quattro secoli fa da un italiano, Evangelista Torricelli. Una scoperta rivoluzionaria dal punto di vista scientifico che abbiamo sotto gli occhi di tutti, essendo presente in quasi tutte le case. Ne raccontiamo la storia e le sue evoluzioni tecnologiche partendo dai primi che si basavano sugli effetti della pressione atmosferica su un tubicino pieno di mercurio.
Come funzionavano i barometri a mercurio?
In realtà, come vedremo, il sistema di funzionamento di questi strumenti è molto semplice.
I primi barometri erano composti da un tubicino di vetro trasparente, posizionato verticalmente al suolo, con l’estremità superiore chiusa e quella inferiore aperta su una vaschetta piena di mercurio, un metallo allo stato liquido, molto denso e sensibile ai cambiamenti di pressione e di temperatura. Per dargli solidità erano inseriti in eleganti contenitori in ottone o in legno. Il funzionamento è molto semplice. Il livello di mercurio sale o scende all’interno del tubo a seconda delle variazioni della pressione dell’aria.
In parole molto semplici, quando la pressione dell’aria aumenta, spinge verso il basso il mercurio all’esterno del tubo e, di conseguenza, il livello di mercurio all’interno del tubo aumenta. Qualora la pressione diminuisca avverrà il contrario ovvero il livello diminuirà. Questo comportamento quindi si presta per effettuare una misurazione precisa ed istantanea della pressione atmosferica. Gli scienziati hanno correlato queste variazioni in termini di cambiamento del tempo. Le variazioni meteorologiche sono infatti strettamente legate alle variazioni della pressione atmosferica, per cui osservando la colonnina si possono prevedere con molta precisione cambiamenti significativi del tempo come l’arrivo di temporali o del bel tempo. Ad esempio, l’arrivo di aria più fredda, legata al passaggio di un fronte freddo, fa aumentare localmente il peso della colonna d’aria e quindi la pressione al suolo, mentre quello di aria più calda (essendo più leggera) la fa ovviamente diminuire, come al passaggio di un fronte caldo. Questo consente di prevedere l’arrivo dei temporali; infatti quando una nube temporalesca si avvicina la pressione misurata dal barometro tende a scendere, a seguito delle correnti convettive più calde che dal suolo alimentano la nube. È un campanello di allarme importante che i naviganti dovrebbero conoscere bene. Sarà sempre il nostro barometro ad indicarci quando il temporale, accompagnato da raffiche e da rovesci di pioggia (outflow) incomincerà ad allontanarsi , anticipato da una risalita brusca della pressione.
L’invenzione del barometro
Avevamo anticipato che tutto incominciò nel XVII secolo. Esattamente iniziò nel 1643 quando un brillante matematico italiano, Evangelista Torricelli, allievo di Galileo Galilei, inventò il primo strumento di questo tipo. Torricelli prese un lungo tubo di vetro e lo riempì di mercurio. Dopo aver bloccato l’estremità aperta, rovesciò il tubo e lo appoggiò verticalmente su una ciotola contenente del mercurio. L’accorgimento di chiudere l’estremità era ovviamente per non far entrare aria nel tubo formando così il vuoto (un concetto innovativo per l’epoca) al di sopra della colonna di mercurio. Perché usò il mercurio e non altre sostanze? Perché se avesse usato l’acqua, essendo meno densa del mercurio, la pressione dell’aria avrebbe sollevato il livello molto più in alto. In altre parole sarebbe stato necessario avere un tubo più lungo di quello necessario per contenere il mercurio, rendendo lo strumento poco pratico. Torricelli aveva compreso che era il peso dell’atmosfera a causare lo scorrere del mercurio nel tubicino e scrisse che “Sulla superficie del liquido che è nella ciotola c’è il peso di un’altezza di cinquanta miglia di aria.” Lo strumento da lui inventato fu chiamato, in suo onore, barometro torricelliano.
Quale è il valore della pressione atmosferica al suolo?
A livello del mare, la pressione atmosferica spinge il mercurio nell’ampolla verso l’alto e fa salire, in condizioni standard, il livello nel tubo ad un’altezza di circa 760 mm (circa 30 pollici). Torricelli dedusse quindi che il peso di questa colonna si opponeva alla pressione atmosferica e che aumentando la pressione il livello si alzava. Un’intuizione geniale che è alla base della meteorologia moderna.
Perché varia?
La pressione atmosferica cambia continuamente ed è legata al surriscaldamento delle masse d’aria locali ed alla quota di misura. Per comodità il valore standard pressione è di un atmosfera (1 atm) al suolo che è equivalente a circa 760mm di mercurio. Per l’esattezza 760 mm equivale a 1,0132 bar. I subacquei sanno che la pressione di atmosfera aumenta di un’atmosfera ogni dieci metri sott’acqua. Se dal suolo salissimo in quota scopriremmo che la pressione diminuisce man mano che saliamo fino ad annullarsi. Diminuendo la pressione, la misurazione nel tubo da un valore sempre minore (da 760 mm scenderà fino a zero salendo in quota). Per avere un‘idea, la pressione sulla cima del Monte Everest (circa 8840 metri) è leggermente inferiore ad un terzo della pressione atmosferica standard a livello del mare (circa 0,3 atm).
 La pressione ad un’altezza h è data dalla formula a lato, dove Po è la pressione standard al suolo di 1 atm. |
I primi barometri marini erano costituiti da piccoli tubi di vetro, che ricordavano i termometri, protetti da cilindri di ottone, e appesi o racchiusi in scatole protettive in legno. Questi barometri erano calibrati in modo da poter leggere sulla scatola oltre che il valore di pressione, anche semplici indicazioni: “Bel tempo” o Fair, “pioggia” o Rain, “tempesta” o Storm. Questi barometri nautici erano studiati per essere appesi nelle plance delle navi per un’immediata lettura da parte del navigante. I primi barometri torricelliani erano comunque già molto precisi ma … avevano un problema, si basavano per funzionare sul mercurio, un metallo particolare (è l’unico ad essere allo stato liquido) ma molto velenoso. Quelli di una certa età ricorderanno i termometri a mercurio che quando si rompevano riempivano il pavimento di palline argentee. Ci giocavamo ingenuamente senza capirne la forte tossicità per l’organismo che può avvenire sia per ingestione che per inalazione dei vapori o anche per semplice contatto. Questo fattore nel tempo portò alla sostituzione del barometro a mercurio con altri tipi di barometri. Infatti, con l’avanzare della tecnologia, sebbene i barometri marini al mercurio fossero e (sono) ancora considerati più precisi, furono sostituti da quelli aneroidi.
Un barometro aneroide è costituito da una piccola cella di metallo con una molla contenuta in una scatola metallica. La cellula è circondata da una lega metallica di rame e berillio. Man mano che la pressione dell’aria all’esterno della cella cambia, la molla all’interno si espande, o si contrae, e questi movimenti fanno muovere una lancetta posta sul quadrante frontale del barometro.
I barometri aneroidi, spesso presenti nelle nostre case come oggetto ornamentali, hanno in genere un solo quadrante con una lancetta di misura e un che indica diverse misurazioni e condizioni meteorologiche. Sul suo quadrante si nota un’altra lancetta (spesso dorata) che può essere fatta ruotare con le dita (essendo libera) tramite un bottone zigrinato. Una domanda che molti fanno è a che cosa serva. Si tratta di un semplice indice che, posizionato in un certo momento della giornata sulla lancetta del barometro, essendo slegato da qualsiasi meccanismo, in un periodo successivo fa comprendere se c’è stato un aumento o una diminuzione di pressione.
Per poter ottenere delle misure precise il barometro dovrà essere sempre regolato (calibrato) sulla pressione atmosferica, ridotta a livello del mare, e quindi calibrato di volta in volta, in funzione della altezza in cui ci troviamo, semplicemente spostando delicatamente una vite posta sulla cassa sul retro. Per calcolare la riduzione ricordatevi che ogni 80 metri può essere stimata intorno a 10 millibar, per cui se la pressione media è di 1012 mbar, se viviamo in collina a 8oo metri di quota, la riduzione da apporre sarà circa 100 mbar. Questo per esser precisi. In realtà quello che ci interessa è la variazione dell’indice, in crescita o in decrescita, fattore che ci indica se stiamo andando verso il tempo buono o cattivo.
Nel XX secolo fu sviluppato il barometro marino digitale, che funziona traducendo le letture elettroniche della pressione atmosferica e delle variazioni di temperatura in … elementari previsioni meteorologiche. Per farlo utilizza degli algoritmi che tengono conto dell’umidità, della pressione, della temperatura dell’aria e, in certi casi, della velocità del vento rilevata. I moderni barometri digitali competono per la precisione con i barometri al mercurio che sono ormai sempre meno diffusi.
A cosa servono i barometri in campo nautico?
Sin dai tempi antichi, la possibilità di fare una previsione meteorologica accurata è stato sempre un fattore importante per i naviganti. Poter prevedere l’arrivo di una linea temporalesca consentiva al capitano di modificare la sua rotta prima di essere sorpreso da mare mosso e vento forte. Il barometro marino fu quindi sviluppato tecnicamente e commercialmente per offrire ai marinai un mezzo conveniente e portatile per prevedere i cambiamenti atmosferici in mare. Nonostante i mezzi oggigiorno disponibili, il barometro marino non è scomparso dalle plance, e viene di solito accoppiato ad altri indicatori meteorologici come termometri e anemometri. Ora abbiamo imparato a leggerlo, ricordiamocelo la prossima volta che andremo per mare, un semplice strumento che non può mancare nella dotazione nautica di ogni amante del mare.
Andrea Mucedola
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ammiraglio della Marina Militare Italiana (riserva), è laureato in Scienze Marittime della Difesa presso l’Università di Pisa ed in Scienze Politiche cum laude all’Università di Trieste. Analista di Maritime Security, collabora con Centri di studi e analisi geopolitici italiani ed internazionali. È docente di cartografia e geodesia applicata ai rilievi in mare presso l’I.S.S.D.. Nel 2019, ha ricevuto il Tridente d’oro dell’Accademia delle Scienze e Tecniche Subacquee per la divulgazione della cultura del mare.
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