Meteo Didattica: il “geopotenziale”, alla scoperta di questo sconosciuto parametro fisico-matematico su cui si basano le previsioni meteorologiche

In questo articolo cercheremo di capire cos’è il “geopotenziale”, questo parametro fondamentale per l’elaborazione di una corretta previsione meteorologica. Con il termine di “geopotenziale” nella meteorologia sinottica s’intende l’energia necessaria che occorrerebbe  spendere contro la forza di gravità per portare una massa d’aria unitaria dal suolo (geopotenziale nullo) fino ad una certa altitudine. L’altezza del “geopotenziale”, quella che vediamo nelle mappe meteorologiche sfornate dai principali centri di calcolo internazione (GFS, UKMO, ECMWF, GEM, DWD-GME), invece si ottiene dal rapporto tra il “geopotenziale” e la forza di gravità media al livello del mare. Proprio per questo motivo è possibile considerare l’altitudine sul livello del mare di una certa massa d’aria, con una certa approssimazione. In meteorologia si usa definire una pressione standard (850 hPa, 700 hPa, 500hPa ad esempio) e tracciare le linee  che congiungono i punti di ugual pressione (isoipse)  che si trovano alla stessa altitudine (o meglio che hanno la stessa altezza “geopotenziale”).

L’aria non è altro che un gas. E come tutti gli elementi dotati di massa, l’aria intensa come gas, è soggetta alla forza di attrazione gravitazionale da parte della Terra. Per tale motivo, se l’aria è costretta a salire verso l’alto, allontanandosi dal centro della stessa viene spesa dell’energia per vincere tale forza retroattiva. Il “geopotenziale”, in tale contesto, rappresenta l’energia necessaria che serve per spostare verso l’alto una massa d’aria unitaria. Se è vero che il “geopotenziale” al livello del mare è nullo, il “geopotenziale” ad una determinata altezza non è altro che l’energia necessaria per innalzare dal livello del mare, all’altezza prestabilita, una determinata massa d’aria. L’altezza di “geopotenziale” è un parametro direttamente correlato al “geopotenziale” stesso. Dividendo quest’ultimo per una costante, ossia l’accelerazione di gravità media al livello del mare. In sostanza se l’aria viene fatta salire a circa 5500 metri di quota (500 hpa) occorrerà una determinata energia per farla arrivare a tale altezza. Pertanto la pressione dell’aria stessa sarà di certo inferiore rispetto a quando essa era al suolo. In tal modo vengono rappresentate carte di altezza di geopotenziale alle varie quote in cui vengono tracciate isolinee che uniscono i punti altimetrici in cui si vengono a determinare uguali pressioni a quella stessa quota.

Le correnti in quota seguono fedelmente le isolinee (definite isoipse) che chiudono i vari centri di “geopotenziale”. Di conseguenza le masse d’aria ruoteranno in senso orario attorno i massimi di “geopotenziale” ed antiorario nei minimi di “geopotenziale”. I minimi di “geopotenziale” indicano il passaggio, nella libera atmosfera, di masse di aria fredda, in quanto l’aria fredda essendo densa e pesante è scontato che occorrerà un maggior contributo energetico per sollevarla a quella quota e quindi la pressione diminuirà maggiormente. I massimi di “geopotenziale”, al contrario dei minimi, indicano il transito in quota, nella libera atmosfera, di aria calda. Per cui, in presenza di massimi di “geopotenziale” in quota, occorrerà meno energia per sollevare l’aria ad una certa altezza, e quindi la pressione a quella quota rimane più elevata. Solitamente i “geopotenziali” bassi quando si accompagnano a pressioni relativamente alte al suolo indicano la presenza di aria fredda e asciutta lungo tutta la colonna. I “geopotenziali” alti accompagnati da pressioni relativamente basse indicano la presenza di aria piuttosto calda e umida. Solitamente, analizzando i modelli matematici, notiamo carte di “geopotenziale” (che rappresentano l’altezza del “geopotenziale”)  riferite alle singole quote; 850 hpa, 700 hpa, 500 hpa, 300 hpa. Queste carte, alle singole altezze, rappresentano l’altezza in cui una massa d’aria presenta quella determinata pressione. Il “geopotenziale” viene ricavato dalla pressione al suolo e dal contributo energetico che occorre per innalzare la suddetta massa d’aria alla quota prefissata.