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I marinai sanno che quando la pressione atmosferica scende non è un buon segno. Ma come fanno ad accorgersene? Semplice, utilizzando il barometro, uno strumento nautico che misura la pressione locale 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 era molto semplice.

Barometro a mercurio di Charles Frodsham, London, conservato a Shugborough Hall – Staffordshire, England Barometer by Charles Frodsham, view 2, London, date unknown, mahogany, mercury, metal, glass – Shugborough Hall – Staffordshire, England – DSC00451.jpg – Wikimedia Commons

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.

Principio di funzionamento del barometro a mercurio di Torricelli – Fonte e autore Volker Sperlich: “Übungsaufgaben zur Thermodynamik mit Mathcad” (2002) Fachbuchverlag Leipzig Prinzip Torricelli.jpg – Wikimedia Commons

Tutto incominciò nel XVII secolo, nel 1643, quando un brillante matematico italiano, Evangelista Torricelli, allievo di Galileo Galilei, inventò il primo strumento di misura per misurare la pressione atmosferica. Si trattava di un tubo di vetro chiuso a un’estremità e aperto dall’altra, con una sezione di un centimetro quadro, della lunghezza di un metro, riempito di mercurio, metallo allo stato liquido caratterizzato da una alta densità, posto verticalmente in una vaschetta, anch’essa contenente mercurio. In pratica si creava un sistema di vasi comunicanti. Torricelli osservò che quando la pressione dell’aria (triangolo bianco) aumentava, spingeva verso il basso il mercurio all’esterno del tubo e, di conseguenza, il livello di mercurio all’interno del tubo aumentava. Qualora la pressione diminuiva avveniva il contrario ovvero il livello diminuiva. Questo comportamento si prestava quindi ad effettuare una misurazione precisa ed istantanea della pressione atmosferica.

Torricelli, 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.

In seguito gli scienziati notarono che questo cambiamento era correlato all’andamento del tempo meteorologico per cui le variazioni meteo erano strettamente legate alle variazioni della pressione atmosferica. Osservando gli spostamenti dei livelli nella colonnina si potevano prevedere con molta precisione cambiamenti significativi del tempo come l’arrivo di temporali o del bel tempo.

Oggi sappiamo che 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. In parole semplici 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. Questo 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.

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).

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 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.

 

Mechanical design di un barometro aneroide di Feingerätebau Fischer/GDR autore foto FranzKK Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 – Design of aneroid barometer aneroid cell.JPG – Wikimedia Commons

Per poter ottenere delle misure precise il barometro deve 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 questo valore può essere stimato 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 di circa 100 mbar.

Questo per esser precisi ma serve veramente ai fini predittivi dell’andamento della pressione? In realtà no. 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 precisione con i barometri al mercurio che sono ormai sempre meno diffusi e li troviamo presenti anche … nei moderni orologi digitali. 

Orologio digitale, in basso a destra viene indicata la pressione atmosferica (1009 bar) – Autore foto VSchagow 2019120310 Casio ProTrek PRW 60Y-1AER barometer 2019.jpg – Wikimedia Commons

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 che 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

in anteprima barometro aneroide, XX secolo Barometre aneroide 01.jpg – Wikimedia Commons

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