Perché soffia il vento: pressione, Coriolis e circolazione globale

Nell'estate del 1735, da qualche parte a ovest delle isole Canarie, un brigantino di legno avanzava verso ponente sospinto da una costante brezza orientale. Il vento non sembrava mai cambiare idea. Era lo stesso aliseo che da due secoli spingeva le navi iberiche, olandesi e inglesi attraverso l'Atlantico, l'affidabile nastro trasportatore dell'età della vela. Un capitano poteva pianificare un viaggio facendovi affidamento, perché era sempre lì, sempre a soffiare all'incirca dalla stessa direzione, giorno dopo giorno dopo giorno.

Quello stesso anno, a Londra, un avvocato quacchero e filosofo naturale dilettante di nome George Hadley si presentò davanti alla Royal Society e lesse un breve saggio in cui sosteneva che quel vento non fosse affatto un capriccio del tempo. Era, affermava, il braccio superficiale di una vasta circolazione che avvolgeva l'intero pianeta, alimentata dal calore del Sole e piegata dalla rotazione della Terra. La brezza sulla poppa di quel singolo brigantino era uno dei fili visibili di una macchina grande quanto un emisfero. Perché dunque soffia il vento, e perché soffia dove e come soffia?

L'aria scivola sempre lungo un pendio di pressione

Tolte le complicazioni, il vento è una cosa semplice. È aria che scorre dai luoghi dove la pressione è alta verso i luoghi dove la pressione è bassa. La forza che guida questo scorrimento è la forza di gradiente di pressione, e funziona esattamente come l'acqua che corre in discesa: più ripido è il pendio, più rapido è il movimento. Dove due regioni dell'atmosfera hanno solo una piccola differenza di pressione, il vento è leggero. Dove la differenza è grande e concentrata in una breve distanza, il vento ulula.

La domanda successiva è da dove vengano, in origine, queste differenze di pressione, e la risposta è la luce del Sole. Il Sole riscalda la Terra in modo non uniforme. L'equatore riceve la luce solare quasi perpendicolarmente per tutto l'anno, mentre i poli ricevono gli stessi raggi spalmati su un angolo radente e su un'area molto più ampia. L'aria riscaldata vicino alla superficie si espande, così la colonna d'aria sopra una zona di terreno caldo occupa più altezza e preme in modo diverso rispetto alla colonna sopra una zona fredda. Il riscaldamento non uniforme produce un'espansione diseguale della colonna d'aria che si erge su ogni metro quadrato di superficie, e l'espansione diseguale produce le differenze di pressione che il vento cerca poi di cancellare. Il Sole, in sostanza, continua a inclinare il tavolo, e l'aria continua a scivolarvi sopra.

La rotazione del pianeta piega tutto ciò che si muove

Se la pressione fosse l'intera storia, il vento soffierebbe in linea retta dall'alta verso la bassa pressione e la questione sarebbe risolta. Non è così, e la ragione è che la superficie su cui soffia sta ruotando. La Terra ruota verso est una volta ogni ventiquattro ore, e su una sfera in rotazione qualsiasi oggetto che si muove liberamente sulla superficie sembra deviare da una traiettoria rettilinea. Nell'emisfero settentrionale la deviazione avviene verso destra rispetto alla direzione del moto; nell'emisfero meridionale verso sinistra.

Questa apparente deviazione è l'effetto Coriolis, dal nome di Gaspard-Gustave de Coriolis, l'ingegnere e matematico francese che ne ricavò la formulazione matematica nel 1835. Due caratteristiche dell'effetto sono importanti per comprendere il vento. In primo luogo, la sua intensità dipende dalla latitudine: è nulla all'equatore e raggiunge il massimo ai poli, così lo stesso vento subisce quasi nessuna deviazione ai tropici e una molto potente alle alte latitudini. In secondo luogo, agisce su qualsiasi cosa in moto libero e prolungato attraverso il pianeta, non solo l'aria, ed è per questo che influenza anche le correnti oceaniche e le traiettorie dei proiettili d'artiglieria a lungo raggio. Senza l'effetto Coriolis il vento correrebbe diritto dall'alta verso la bassa pressione. Con esso, lo scorrimento viene attorcigliato nei grandi schemi curvi che osserviamo effettivamente in superficie, e l'aliseo che trasportava il brigantino immaginato da Hadley diventa non una spinta dritta, ma una spinta piegata.

Il ciclo di Hadley e il motore dei tropici

Il contributo di Hadley fu vedere il vento tropicale come parte di un ciclo. Nel suo saggio del 1735 propose che l'intenso riscaldamento solare lungo l'equatore alimenti un unico grande circuito convettivo in ciascun emisfero. L'aria calda e umida sale lungo l'equatore, si arrampica fino alla sommità della bassa atmosfera e si distribuisce verso i poli. Mentre viaggia si raffredda e diventa più densa, finché, intorno ai trenta gradi di latitudine, ridiscende verso la superficie. Lì gira e scorre nuovamente verso l'equatore in prossimità del suolo, e mentre lo fa la rotazione della Terra la piega verso ovest, producendo i costanti alisei orientali che spingevano i velieri europei attraverso l'Atlantico.

Questo circuito è la cella di Hadley, ed è la cosa più vicina che l'atmosfera possieda a una macchina termica disegnabile su un'unica pagina: calore in ingresso all'equatore, sollevamento, flusso verso i poli in quota, discesa ai subtropici e una corrente di ritorno in superficie piegata negli alisei. Entrambe le forze delle sezioni precedenti vi sono visibili contemporaneamente. La forza di gradiente di pressione solleva e fa circolare l'aria perché l'equatore è caldo e con bassa pressione al suolo, mentre i subtropici sono freschi e con alta pressione; la deviazione di Coriolis piega il flusso di ritorno superficiale in una corrente orientale anziché in un flusso rettilineo verso nord o verso sud. lo stesso abbinamento ricompare ben più in alto, dove i più netti contrasti di temperatura presso la sommità della bassa atmosfera generano i venti più veloci e più concentrati del pianeta.

Tre celle, tre fasce di vento

Hadley aveva ragione sui tropici, ma un singolo ciclo non può arrivare fino ai poli. Il quadro fu completato nel 1856 dal meteorologo americano William Ferrel, che aggiunse altre due celle in ciascun emisfero. Il risultato è il modello a tre celle: la cella di Hadley che va dall'equatore fino a circa trenta gradi, la cella di Ferrel da circa trenta a sessanta gradi e la cella polare da sessanta a novanta gradi. Le celle si incastrano come ingranaggi, il ramo discendente di una che alimenta il ramo ascendente della successiva, così che l'intero emisfero risulta tassellato dall'equatore al polo.

Ogni cella imprime un vento caratteristico sulla superficie sottostante. Sotto la cella di Hadley soffiano gli alisei orientali. Sotto la cella di Ferrel soffiano i venti occidentali dominanti delle medie latitudini. Sotto la cella polare soffiano i venti orientali polari. Queste tre fasce non sono stranezze regionali; sono la firma in superficie della circolazione globale, e compaiono all'incirca negli stessi luoghi su ogni oceano e su ogni continente, perché la fisica che le produce è la stessa ovunque. Il modello è un'idealizzazione, un diagramma pulito sovrapposto a un pianeta disordinato, ma coglie lo scheletro di come l'aria si muove attorno al mondo.

Perché la latitudine decide il clima

Poiché ogni cella produce un particolare vento di superficie e una particolare configurazione di pressione, la circolazione a tre celle organizza il clima dell'intero pianeta in fasce che corrono parallele all'equatore. Conoscere la latitudine di un luogo dice sorprendentemente molto sul suo tempo atmosferico prima ancora di sapere qualsiasi altra cosa, e la ragione è la cella che gli sta sopra.

Due fasce lo dimostrano in modo vivido. Intorno ai trenta gradi di latitudine, in entrambi gli emisferi, l'aria della cella di Hadley sta scendendo. L'aria che scende si riscalda e si asciuga mentre si comprime, il che sopprime nuvole e precipitazioni, ed è proprio lungo questi rami discendenti che si dispongono i grandi deserti del mondo: il Sahara, i deserti arabici, i deserti del Sud-Ovest americano e dell'Australia, tutti raggruppati vicino ai trenta gradi. Intorno ai sessanta gradi, al contrario, l'aria polare fredda incontra l'aria più calda delle medie latitudini lungo il fronte polare, e questa zona di collisione è dove vivono le principali traiettorie delle tempeste del mondo, generando la sfilata di sistemi di bassa pressione che dona alle medie latitudini il loro tempo mutevole e burrascoso. Deserti ai trenta, tempeste ai sessanta: la geografia discende dalle celle.

Gli alisei e i venti occidentali dominanti meritano un momento a sé, perché confonderli è l'errore più comune di tutta la geografia atmosferica. Entrambi sono venti di superficie, ma appartengono a celle diverse, soffiano in direzioni opposte e hanno costruito due mondi marittimi molto diversi. Gli alisei soffiano da est attraverso i tropici, mentre i venti occidentali soffiano da ovest attraverso le medie latitudini. I velieri sfruttavano entrambi, cavalcando gli alisei orientali all'andata attraverso le basse latitudini e prendendo i venti occidentali per il tragitto di ritorno alle latitudini più alte, ed è per questo che le grandi rotte commerciali dell'età della vela tracciano enormi anelli anziché linee rette attraverso gli oceani.

Le correnti a getto e i limiti di un modello ordinato

Le celle hanno anche una controparte ad alta quota che plasma il tempo molto più in basso. Ai confini tra le celle, presso la sommità della bassa atmosfera in corrispondenza della tropopausa, intorno ai nove-dodici chilometri di altezza, il contrasto di temperatura attraverso il confine è al suo massimo, e dove i gradienti di temperatura sono più ripidi il vento è più veloce. Il risultato sono le correnti a getto, nastri stretti di vento occidentale ad alta velocità. La corrente a getto polare corre vicino ai sessanta gradi e quella subtropicale vicino ai trenta gradi, ed entrambe possono raggiungere velocità di duecento-quattrocento chilometri orari. Guidano la traiettoria di praticamente ogni sistema meteorologico delle medie latitudini, ed è per questo che i previsori le osservano con tanta attenzione.

Due avvertenze mantengono onesto questo quadro. La prima riguarda un mito celebre. L'effetto Coriolis piega davvero i venti, le correnti oceaniche e i proiettili d'artiglieria, ma non decide in che senso l'acqua giri scendendo nello scarico di una vasca da bagno o nello sciacquone di un water. Alla scala di un lavandino l'effetto è del tutto sopraffatto dalla geometria della vasca, dalla forma dello scarico e dal modo in cui l'acqua si stava muovendo quando è arrivata. La storia della vasca da bagno sopravvive solo perché la versione legata ai punti cardinali è facile da ricordare, non perché la fisica regga quando la si riduce di scala. La seconda avvertenza è più ampia: il modello a tre celle è un'idealizzazione, non una fotografia. L'atmosfera reale è frammentata dalla disposizione irregolare di terre e oceani, dalla migrazione stagionale nord-sud della Zona di Convergenza Intertropicale dove si incontrano gli alisei, dai monsoni alimentati dai diversi ritmi con cui terra e mare si riscaldano e si raffreddano, e da oscillazioni di anno in anno come El Niño e il Dipolo dell'Oceano Indiano che modulano l'intero sistema. Le celle sono l'impalcatura a cui il tempo è appeso, non la sua descrizione completa.

Punti chiave

Il vento è aria che scorre dall'alta verso la bassa pressione sotto la forza di gradiente di pressione, che esiste perché il Sole riscalda la Terra in modo non uniforme e il riscaldamento diseguale espande la colonna d'aria in modo diverso da luogo a luogo; il pianeta in rotazione devia poi quel flusso attraverso l'effetto Coriolis, verso destra nell'emisfero settentrionale e verso sinistra in quello meridionale, nullo all'equatore e più intenso ai poli. George Hadley abbozzò il ciclo tropicale nel 1735, Gaspard-Gustave de Coriolis ricavò la matematica della deviazione nel 1835 e William Ferrel completò il quadro a tre celle nel 1856, dando a ciascun emisfero una cella di Hadley, una cella di Ferrel e una cella polare che producono gli alisei, i venti occidentali dominanti e i venti orientali polari, con rapide correnti a getto occidentali che corrono lungo i confini delle celle presso la tropopausa. Queste fasce spiegano perché i deserti si raggruppano vicino ai trenta gradi e le traiettorie delle tempeste vicino ai sessanta, perché gli alisei e i venti occidentali soffiano in direzioni opposte e perché la latitudine è un predittore così forte del clima; ma il modello è un'idealizzazione che le terre, gli oceani, la migrante Zona di Convergenza Intertropicale, i monsoni e cicli come El Niño complicano tutti, e non governa, nonostante la leggenda, il vortice di un lavandino che si svuota.