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Temperatura

Cos'è la temperatura?

La temperatura è una quantità fisica che descrive il caldo e il freddo ed è proporzionale all'energia cinetica media di una massa.
La temperatura si misura con i termometri. Esistono tre scale per misurare la temperatura:

  • la scala Fahrenheit (°F), che è particolarmente popolare negli Stati Uniti
  • la scala Celsius (°C), che è la più comunemente usata
  • la scala Kelvin (K), che rappresenta l'unità del SI per la temperatura.

Le scale Kelvin e Celsius hanno esattamente gli stessi intervalli per una differenza di temperatura di 1°, differiscono solo per il loro punto zero.

In meteorologia, la temperatura si differenzia in temperatura dell'aria, temperatura superficiale, temperatura del suolo, temperatura dell'acqua e profilo verticale della temperatura.

Inoltre, è bene notare come la temperatura dipenda molto dall'altitudine. Ciò significa che l'aria si raffredda di circa 0,65°C per 100 metri di altezza. Pertanto, è importante sapere a quale altitudine si trova la stazione di misurazione e a quale altezza dal terreno è fissato il sensore di temperatura, in modo da poter correttamente confrontare i valori rispetto ad altri sensori o stazioni.

Come viene misurata la temperatura?

Tutti i termometri sfruttano le varie proprietà fisiche dei materiali che cambiano con le variazioni di temperatura. Questo può essere, ad esempio, l'aumento di volume di un liquido, la resistenza elettrica di un metallo o il cambiamento nel volume di un metallo.

Secondo il WMO (World Meteorological Organisation), le stazioni meteorologiche per misurare la temperatura dell'aria più comunemente utilizzate sfruttano la resistenza elettrica. La temperatura viene misurata in un intervallo di pochi secondi, da cui viene formata una media di 5 minuti. All'ora piena, questi misure vengono quindi aggregate per formare una media oraria. Per le stazioni non automatizzate, per la maggior parte private, l'intervallo di misurazione può anche essere di un'ora o persino di un giorno.

Come dovrebbe essere installato un termometro di una stazione meteorologica?

Figure 1: Weather station in <a href="CHZ.pdf">Cham</a>, Switzerland

Un termometro per misurare la temperatura dell'aria deve essere posizionato su una superficie piana (idealmente erba tagliata corta) e due metri sopra il terreno secondo gli standard WMO. L'ambiente di misurazione deve essere in grado di essere illuminato direttamente dal sole e nessun ostacolo grande (alberi, edifici) che influisca sulla circolazione dell'aria deve essere vicino. Perché la misurazione misuri effettivamente la temperatura dell'aria, il termometro deve essere in una scatola protettiva bianca ben ventilata. Questa protezione garantisce che nessuna radiazione diretta possa colpire il dispositivo, che lo riscalderebbe più dell'aria dell'ambiente. La ventilazione può essere fornita naturalmente con l'aiuto di lamelle o artificialmente con l'aiuto di ventole. Per misurare la temperatura a diverse altezze, vengono utilizzate delle torre metalliche fino a circa 300 metri di altezza. Per le misurazioni superiori a 300 m vengono utilizzati palloni meteorologici.

Quali strumenti di misurazione vengono utilizzati per misurare la temperatura dell'aria?

I servizi meteorologici nazionali (come MeteoSwiss) utilizzano per lo più uno dei due dispositivi di seguito elencati per misurare la temperatura:

Figure 2: Protective white box of a temperature sensor

  • Uno strumento con una termocoppia di rame costante
  • Uno strumento con un termometro a resistenza di platino (PT100)

Il dispositivo con il sensore PT100 è il più recente dei due utilizzati e sta lentamente sostituendo la termocoppia di rame costante.

Le misure di entrambi i dispositivi si basano sul cambiamento della conduttività di un metallo con l'aumento o la diminuzione della temperatura e possono quindi registrare anche i più piccoli cambiamenti di temperatura. L'output è quindi convertito da computer e avviene automaticamente.

Quali altri metodi di misurazione sono disponibili?

Figure 3: High precision mercury thermometer

I sensori presenti in qualsiasi termometro domestico digitale si basano sulla stessa tecnologia delle apparecchiature professionali, ma con materiali molto più economici. È utilizzato un materiale conduttivo, la cui resistenza dipende dalla temperatura.

I classici termometri vecchio stile utilizzano il mercurio che, grazie alla sua bassa capacità termica, può aumentare o diminuire il suo volume anche a basse temperature. Tuttavia, questi termometri non possono essere automatizzati e la precisione dipende fortemente dall'osservatore.

Un altro metodo obsoleto di determinazione della temperatura è il metodo bimetallico. Due piastre di metallo con diversa capacità termica sono graffate insieme. Quando riscaldati, le piastre si deformano in modo diverso e si può calcolare la differenza di temperatura in base alla differenza delle piastre.

Difficoltà di misurazione della temperatura

I maggiori errori di misurazione si basano sull'installazione errata degli strumenti. Se gli strumenti di misura sono fissati troppo vicino al suolo, non misurano solo la temperatura dell'aria, ma anche il calore emesso dalla terra. Quando un dispositivo viene irradiato direttamente dal sole, le misure di questa unità sono troppo alte. La ventilazione garantita non deve essere trascurata, perché l'aria senza circolazione si riscalda molto più velocemente dell'aria in movimento. Quindi, se c'è una calma completa nella scatola dello strumento di misura, i valori misurati sono sempre troppo alti, specie se in presenza di forte irraggiamento solare.

Se il sensore di temperatura viene installato su una superficie di catrame o asfalto, i risultati della misurazione saranno falsificati in quanto queste superfici (diversamente dall'erba) si surriscaldano estremamente a causa della radiazione solare. Per risultati di misurazione uniformi e quindi comparabili, è quindi essenziale seguire le regole del WMO.

Quante stazioni di misurazione ci sono?

In Svizzera ci sono 154 stazioni di misurazione ufficiali di MeteoSwiss che misurano la temperatura dell'aria. Tuttavia, questo non è sufficiente per una rete di misurazione nazionale, che potrebbe rappresentare la Svizzera, poiché ci sono grandi differenze di altitudine in Svizzera e la temperatura cambia in modo significativo con l'altitudine.

Pertanto, meteoblue utilizza anche numerose stazioni di misurazione private, che vengono valutate e controllate per la completezza dei dati al fine di offrire servizi come Nowcast o le mappe meteorologiche in modo più dettagliato. Tuttavia, queste stazioni di misurazione potrebbero non funzionare poiché non sono necessariamente conformi agli standard WMO, pertanto tutte le misurazioni vengono sottoposte a controllo di qualità automatico prima di essere utilizzate per previsioni o altri scopi.

Figure 4: Worldwide distribution of <a href="https://www.ncdc.noaa.gov/isd">WMO-Weather Stations</a>

Secondo la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), ci sono attualmente oltre 14.000 stazioni meteorologiche attive che operano quotidianamente aggiornate e soddisfano tutti gli standard WMO. Molti di loro sono negli Stati Uniti e in Europa. meteoblue utilizza circa 70'000 stazioni meteorologiche in tutto il mondo, dove oltre alle stazioni WMO vengono utilizzate altre reti pubbliche e private. Ci sono oltre 100.000 stazioni meteorologiche private che misurano e registrano i dati meteorologici. Guardando tutti i sensori di temperatura installati su auto, smartphone e altri dispositivi elettronici, sono in circolazione diversi milioni di sensori di temperatura, con una forte tendenza al rialzo.