Global temperature change, month by month

Global temperature change, month by month

Recently, several authors attempted to visualize the exceptionality of the global mean temperatures recorded in last months. Without pretending to be exhaustive, I would mention the very impressive spiralling of Ed Hawkins, or also the animation of monthly temperatures with annual records by Tom Randall & Blacki Migliozzi. I think that it is important to stress about the rapidity and intensity of actual global warming, underlining the word GLOBAL (eventual anomalies of few months in small areas of the planet do not have nothing to do with global warming!).

The following animation is my modest contribution. Starting dataset is still from the CRU, and in particular the dataset HadCRUT4 (filled-in by Cowtan and Way) on climexp website. Such data are already anomalies, but I have performed an additional montly detrending by substracting, month by month, the average of the period 1850-1879.

The animation updates, year by year, the coldest and warmer months.

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Sulle calorie, sull’energia e sul risparmio energetico

Sulle calorie, sull’energia e sul risparmio energetico

Oggi il mio post cambia un po’ discorso rispetto alla tematica del blog. Infatti parlerò di calorie. Traggo ispirazione dal fatto che, nell’università coreana in cui mi trovo in questo momento (la Ewha Womans University – rimando chi volesse approfondire il motivo della presenza di scuole femminili in Corea a questo mio articolo di qualche tempo fa), hanno tentato di invogliare la gente a far le scale (invece dell’ascensore – ma l’iniziativa non pare riscuotere molto successo…) appiccicando sugli scalini l’indicazione delle calorie consumate ogni due gradini, nonché dei secondi di vita risparmiati. Apparentemente si perdono 0,3 calorie ogni due gradini saliti, o meglio 0,3 Cal, che in realtà sono le grandi calorie, quelle usate in scienza della nutrizione, che comunemente si chiamano calorie. Il numero torna con quanto viene indicato su alcuni siti popolari in cui si parla di calorie e nutrizione, come ad esempio questo sito, dove si dice che salire le scale richiede circa 8÷11 calorie al minuto. Beh, nell’ipotesi, non così campata per aria, di salire un gradino al secondo, questo significa un consumo calorico di 0,13÷0,18 calorie al gradino, numero che è in linea con l’indicazione sui gradini dell’università Ewha. Ma è un numero che, in realtà, non ci dice molto, di per sé. Sembra soltanto molto piccolo, e forse è per questo motivo che “non tira”. Ma è davvero piccolo?

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Fig. 1 – dettaglio di una rampa di scale dell’istituto che ospita il Dipartimento di Atmospheric Sciences and Engineering presso la Ewha Womans University, Seoul, Corea.

Proviamo a fare alcuni “conti della serva”. L’altezza media di un gradino varia tra 10 e 15 cm. Se una persona di 70 kg sale verticalmente di un metro, deve spendere energia per vincere la forza di gravità. Tale energia equivale all’energia potenziale gravitazionale, ed è data da E=mgh dove m è la massa della persona (70 kg, abbiamo detto), g l’accelerazione di gravità (9,81 m s-2) e h lo spostamento in verticale (diciamo 10 cm, ovvero 0,1 m). Si ottiene E=68,67 J. E siccome 1 J = 0,239 cal = 2,39 10-4 Cal, questo significa circa 0,016 Cal a gradino. Cioé circa un decimo rispetto al valore indicato… ma questa è solo l’energia spesa per salire… l’energia spesa da un essere umano non si limita alla sola energia contro la forza di gravità. Il dispendio energetico complessivo, stando in piedi inattivi, è quantificato in 1,0 Cal/min (ovvero 0,016 Cal/s) mentre, se si cammina, tale dispendio è circa tre volte maggiore (2,5÷3,5 Cal/min camminando in piano a 4 km/h, pari a circa 0,042÷0,058 Cal/s). Pertanto, se si considera che una persona salga un gradino al secondo, ecco che al lavoro fisico fatto contro la gravità vanno già sommati il consumo di una persona inattiva e il consumo nel camminare in piano (camminare in salita equivale a camminare in piano più lo spostamento verticale), ovvero si arriva in media a circa 0,08 Cal al gradino, che è circa metà del valore indicato. Poi, naturalmente, ci sono altri aspetti da considerare, ma intanto vediamo che l’ordine di grandezza del dato pare sensato.

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Fig. 2 – Articolo “Il destino del grasso” pubblicato nella sezione “Pentole e provette” del numero di Marzo 2016 de Le Scienze.

Vediamo di approfondire ancor più il discorso: in questo, prendo ispirazione anche dal magistrale articolo di Dario Bressanini uscito sul penultimo numero de Le Scienze, e dai consumi riportati su quest’altro sito, che è molto ricco di spunti. Qui il consumo energetico richiesto per salire le scale è quantificato in 12,8 cal/min, a cui viene aggiunto il dato di 6 cal/min per la discesa dalle scale. Tali dati sono riferiti ad una persona di 70 kg, e – sempre nell’ipotesi di salire o scendere un gradino al secondo, possono rispettivamente tradursi in 0,21 e 0,10 Cal per scalino salito/sceso. Essi risultano un po’ maggiori rispetto ai dati appiccicati agli scalini dell’università Ewha, ma occorre notare che essi sono riferiti ad una persona con normopeso di 70 kg, mentre presumibilmente le studentesse dell’università della Ewha sono più vicine ai 50 kg: in tal caso le cifre cambiano rispettivamente in 9,2 Cal/min per salire le scale e 4,3 Cal/min per scenderle, pari rispettivamente a 0,15 e 0,07 Cal per scalino, e il primo dei due valori è esattamente il valore riportato sugli scalini.

Sono valori piccoli? Effettivamente lo sembrano… ma in realtà non è così! Infatti, lo stesso sito permette il paragone con molte altre attività fisiche, e si può scoprire che, grossolanamente, il rateo di consumo energetico nel salire le scale è in realtà ragguardevole e del tutto paragonabile a quello relativo ad una partita di calcio o di rugby, nell’unità di tempo: salire le scale è infatti un’attività energeticamente molto dispendiosa, solo che, ovviamente, non è pensabile di farlo per la durata di un’intera partita di calcio: 90 minuti…

In ogni caso, i numeri di cui sopra possono permettere una rapida conversione dell’energia in gradini di scale da fare, o volendo in piani, se si ipotizza che un piano sia composto da trenta gradini da 10 cm. E, quindi, può essere interessante paragonare tali valori a quelli delle riserve energetiche immagazzinate nel nostro corpo, o a quelli degli alimenti che mangiamo. Perché esprimere le calorie in gradini da salire ci può aiutare a quantificare.

Il cibo italiano è notoriamente ricco di carboidrati. Ebbene, 1 g di carboidrati equivale a 3,8 Cal. Quindi, la razione di 60 g di pasta (senza sugo) da sola contiene un minimo di 228 Cal, ed equivale a 1550 gradini da salire (per un individuo di 50 kg), o 51 piani. In realtà, poiché poi bisogna pure scendere, si può usare il dato di 0,15+0,07=0,22 Cal/gradino, comprensivo di salita e discesa, e l’equivalenza sarebbe con soli 1036 gradini, ovvero 34 piani. Naturalmente un individuo di 70 kg consuma di più e pertanto potrebbe permettersi di salire e scendere soltanto per 735 gradini, equivalenti a 25 piani.

Questo giochino si può ripetere abbastanza facilmente per diversi alimenti, e si ottiene la tabella in allegato, nella quale ho riportato alcuni alimenti di uso comune prendendo i dati relativi all’apporto calorico da questo sito. Vorrei soltanto sottolineare che non sto demonizzando il cibo di per sé: ogni persona necessita di un apporto calorico adeguato durante la giornata, che in genere viene quantificato tra le 2000 e le 2500 Cal, a seconda del sesso e dell’attività fisica, e quando tali valori non vengono raggiunti in modo sistematico e prolungato si va incontro alla denutrizione. Il mio scopo è far capire il valore calorico degli alimenti. E far capire che, se le calorie ingurgitate eccedono sistematicamente le soglie (“che sarà mai qualche caloria in più…“), il nostro corpo le accumula producendo lipidi cioé grassi, al rateo di 9 Cal per 1 g. Se uno accumula 1 kg, ad esempio, poi per smaltirlo, dovrà consumare 9000 Cal. Ovvero salire 60000 scalini, ovvero 2000 piani.

La tabella seguente riporta le equivalenze tra calorie, gradini e piani, nell’ipotesi di salire un gradino al secondo e che un piano contenga 30 gradini, per un uomo medio di 70 kg e una donna media di 50 kg, che definirei quindi in gran forma. Ho inserito alcuni alimenti di uso comune, e altri che rappresentano degli sfizi…

tabella

Tabella 1 – Contenuto calorico di porzioni standard di cibo, rapportate al numero di gradini da salire e scendere da parte di un individuo medio di 50 e 70 kg, e/o di piani.

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Fig. 3 – Per smaltire le calorie di un panino come questo, occorre salire e scendere scale per l’equivalente di un centinaio di piani!

Che dire? Diciamo che alcuni sfizi “costano” molto, in termini di calorie. Non vuol dire che non ce li si può permettere, ma occorre esserne consapevoli in modo da poterli compensare riducendo le calorie nel resto della giornata o nel giorno successivo.

Ora, uno si potrebbe chiedere cosa c’entri tutto questo discorso sulle calorie e sui contenuti energetici del cibo con il clima. Il motivo è presto detto.

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Fig. 4 – Immagine di un succulento e accattivante gelato sormontato da abbondante panna montata.

Da un lato, il nostro corpo richiede un determinato contenuto calorico giornaliero; ingurgitare più calorie del dovuto può magari appagare i sensi (a chi i sensi non andrebbero in subbuglio guardando – ad esempio – un bel gelato sormontato dalla panna montata, come quello in figura 4?), ma ha come risultato che, se l’operazione è ripetuta spesso, si ingrassa e conseguentemente si danneggia la propria salute; inoltre si richiede un maggiore (e inutile) quantitativo di cibo dall’ambiente, per produrre il quale serve un maggiore apporto energetico che, attualmente, in gran parte richiede l’uso dei combustibili fossili, e quindi produce gas serra. Infine, la tendenza all’obesità è poi collegata all’insorgenza di diverse malattie, che generalmente si manifestano più avanti negli anni, ma con un’età media della popolazione che ormai ha superato gli 80 anni diventa poi inevitabile doversi scontrare, prima o poi, con qualche patologia che rischia di diventare invalidante. Nel 1988 negli USA uscì il musical Hairspray, noto in Italia come “Grasso è bello“, poi trasformato in film ed interpretato, tra gli altri, da John Travolta e Michelle Pfeiffer. Beh, il film è certo divertente, ma il messaggio è fuorviante e sbagliato. Grasso potrà anche essere bello, de gustibus, ma sicuramente non fa bene né a se stessi, né all’ambiente. Limitare la nutrizione al quantitativo corretto è dunque una maniera salutare e magari indiretta ma molto utile anche per limitare le emissioni di gas serra, e quindi anche il cambiamento climatico in corso. Questo discorso vale in generale, e vale anche analizzando in particolare il costo energetico di produzione del cibo: non voglio qui parlare nel dettaglio di questo argomento, ma è noto, ad esempio, che la carne bovina ha un altissimo costo produttivo in termini di emissioni, ed un suo consumo eccessivo danneggia la salute in vari modi.

Hairspray

Fig. 5 – La locandina del film Hairspray.

Dall’altro lato, svolgere quitidianamente attività fisica aiuta la salute del nostro corpo e, di nuovo, contribuisce a limitare il dispendio energetico. Ad esempio, si pensi, in un palazzo di pochi piani, all’ipotesi di salire e scendere i piani a piedi usando le scale rispetto ad utilizzare l’ascensore. Da un lato ci sono i benefici sulla salute: l’attività fisica quotidiana richiesta per il nostro benessere, la diminuzione del rischio di mortalità durante la salita, il consumo energetico, la maggiore forma fisica e capacità aerobica, la perdita di peso, il potenziamento muscolare, il miglioramento della quantità di colesterolo “buono” presente nel sangue, solo per citare i più comuni. Dall’altro, uno può farsi un’idea del consumo energetico di un ascensore leggendosi questo interessante e corposo documento, in cui sono prese in considerazione diverse tipologie di ascensori, e dove si può notare come una buona parte del consumo sarebbe abbattibile con l’installazione di ascensori di nuova concezione.

Riassumendo: fare attenzione a ciò che si mangia ed all’apporto calorico del cibo, e fare attività fisica ci fa rimanere in salute e ci permette anche di limitare (un po’) le emissioni di gas serra che alterano il nostro clima. Perché dunque non farlo?

Il mese di luglio visto dalla stazione di fisica

Il mese di luglio visto dalla stazione di fisica

Le statistiche definitive sul mese di luglio appena trascorso lo archiviano come il mese mediamente più caldo nella serie di osservazioni condotte presso la nostra stazione meteorologica, dislocata sul tetto dell’istituto di fisica.

La stazione meteorologica del Dipartimento di Fisica dell’università di Torino acquisisce dati in modo abbastanza continuativo dal 1992. Abbastanza perché, malgrado negli anni si sia fatto il possibile per garantire un dataset il più continuo possibile di dati, ogni tanto guasti e vicende di vario tipo hanno prodotto alcune lacune temporali. Per avere un database continuo, sono state fatte delle interpolazioni usando alcune serie di dati acquisiti nella città di Torino: in particolare, sono state usate le serie dei dati giornalieri delle stazioni Buon Pastore, Alenia, Giardini Reali, Reiss Romoli, Vallere e Consolata di ARPA Piemonte, e la serie omogeneizzata della Società Meteorologica Italiana. Le interpolazioni dei dati mancanti sono state eseguite calcolando, sui dati disponibili, le rette di regressione (separatamente per temperature massime, medie e minime) rispetto ad ogni stazione, e mediando i vari dati così ottenuti per regressione da ogni stazione. Per la serie omogeneizzata della Società Meteorologica Italiana, che non dispone del dato di temperatura media, questa è stata ricavata come semisomma della minima e della massima.

Al fine di ottenere un database statistico di riferimento con cui raffrontarsi (normalmente il periodo di media usato a tale scopo è il trentennio 1961-90), sono state effettuate a ritroso le ricostruzioni dei dati fino al 1961, quindi essi sono stati mediati nel trentennio.

Media delle temperature minime, medie e massime nel periodo giugno-luglio di ogni anno dall’inizio delle osservazioni. Dati Dip. di Fisica - Unito.

Media delle temperature minime, medie e massime nel periodo giugno-luglio di ogni anno dall’inizio delle osservazioni. Dati Dip. di Fisica – Unito.

Il primo grafico che commentiamo è la media delle temperature nel periodo giugno-luglio di ogni anno dall’inizio delle osservazioni: si vede come il 2015 risulti secondo soltanto rispetto al 2003, che detiene ancora il primato, ma di poco. La differenza maggiore la si riscontra nelle massime (quasi 1 °C), mentre le minime differiscono di circa 0,5 °C.

Se ci limitiamo ai valori medi di luglio, tuttavia, notiamo come il 2015 balzi nettamente in testa, surclassando non solo il luglio 2003 (che non fu straordinario: luglio fu il meno anomalo dei tre mesi estivi) ma anche agosto 2003, mese considerato a lungo imbattibile, anche alcuni giorni fa, quando molti ritenevano difficile poter avere svariate ondate di calore di intensità tale da poter attaccare quel record. Dando un’occhiata ai valori ricostruiti a ritroso fino al 1961, nessun mese ha mai fatto osservare valori termici simili, per cui possiamo concludere che luglio 2015 è stato il mese più caldo almeno dal 1961 ad oggi in area urbana.

Prima di proseguire, due parole sulla significatività dei dati. Chi segue le vicende meteorologiche cittadine ha sicuramente notato come i valori minimi registrati dalla nostra stazione siano particolarmente alti, soprattutto in questi mesi estivi e di notte, e soprattutto se confrontati con le stazioni suburbane e con quelle dislocate su prato. Questo fatto tuttavia non deve sorprendere più di tanto. Le stazioni “a norma” secondo l’organizzazione meteorologica mondiale (WMO) dovrebbero essere posizionate su erba, cosa che in area urbana è difficile da realizzare. D’altra parte, una stazione dislocata su cemento è più rappresentativa delle temperature che si registrano in area urbana. La posizione sul tetto dell’edificio rende il termometro meno legato all’eventuale colorazione scura dell’asfalto e più esposto alle eventuali brezze. D’altra parte, in situazioni di ondate di calore come quelle registratesi nel luglio appena trascorso, suolo e muri si scaldano durante la giornata, trasmettendo il calore anche al’interno, e rimangono caldi anche di notte, emettendo radiazione ad onda lunga che può essere intercettata da altri muri o dagli oggetti come i termometri. Diversa è la situazione di un prato inerbito, se l’erba rimane viva, in quanto la pianta traspira tutto quello che può al fine di abbassare la temperatura delle proprie foglie, e mantiene pertanto il suolo più fresco.

Anomalie delle temperature minime, medie e massime registrate a luglio. Dati Dip. di Fisica - Unito.

Anomalie delle temperature minime, medie e massime registrate a luglio. Dati Dip. di Fisica – Unito.

Passiamo ora a vedere le anomalie delle temperature registrate a luglio: tali anomalie, calcolate rispetto al trentennio 1961-90, risultano tra 5,4 e 6,3 °C, a seconda della temperatura, e sono le maggiori in assoluto per il mese di luglio, superando di oltre 2 °C il valore più alto precedente. Se per le massime tale anomalia non batte (per pochissimo) il valore di quella dell’agosto 2003, di 6,4 °C, per le medie e le minime risulta invece la maggiore in assoluto. Con una deviazione standard delle temperature sul trentennio 1961-90 compresa tra 1,8 e 2,0 °C, tali anomalie risultano pari ad un numero di deviazioni standard compreso tra 4,9 e 5,5. La statistica ci dice che, in una distribuzione nornale, un evento che si allontani dalla media di cinque deviazioni standard ha una probabilità di verificarsi di uno su oltre un milione: è pertanto evidente che la probabilità di avere, in dodici anni, ben due eventi (agosto 2003 e luglio 2015) così lontani dalla media indica che l’insieme statistico non rappresenta più il campione. E questo è vero, in quanto, infatti, le temperature medie stanno aumentando, e manca pertanto il criterio della stazionarietà del campione statistico.

Anomalie delle temperature minime, medie e massime registrate a luglio. Dati Dip. di Fisica - Unito.

Anomalie termiche a luglio rispetto al periodo climatico di riferimento 1961-90 per le temperature minime, medie e massime). Dati Dip. di Fisica – Unito.

Anche il grafico che mostra il numero di giorni, nei vari mesi di luglio del terzo millennio, con superamento di determinate soglie termiche (rispettivamente 27, 30 e 33 °C per le temperature minime, medie e massime) vede primeggiare senza rivali luglio 2015, in cui in ben 26 giornate su 31 è stata superata la soglia delle minime. Neppure agosto 2003 fece registrare così tanti giorni sopra soglia.

numero di giorni, nei vari mesi di luglio del terzo millennio, con superamento di determinate soglie termiche (rispettivamente 27, 30 e 33 °C per le temperature minime, medie e massime

Numero di giorni nei mesi di luglio con superamento di determinate soglie termiche (rispettivamente 27, 30 e 33 °C per le temperature minime, medie e massime). Dati Dip. di Fisica – Unito.

Ragionando non tanto sui valori assoluti ma sulle anomalie (sempre calcolate rispetto al periodo 1961-90), il discorso non cambia, anzi diventa ancora più evidente l’anomalia del mese appena trascorso.

numero di giorni, nei vari mesi di luglio del terzo millennio, con superamento di determinate soglie termiche (rispettivamente 27, 30 e 33 °C per le temperature minime, medie e massime

Numero di giorni, nei vari mesi di luglio del terzo millennio, con anomalie rispetto al periodo di riferimento 1961-90 superiori a 5 °C per le temperature minime, medie e massime. Dati Dip. di Fisica – Unito.

Valutando infatti le giornate con anomalie superiori a 5 °C, si vede come, a fronte di svariati anno con valori compresi tra zero e otto, il 2015 svetti con 16 giornate con anomalie delle minime e 23 giornate con anomalie delle massime oltre i 5 °C. Anche in questo caso, agosto 2003 si inchina a luglio 2015…

Dati Dip. di Fisica - Unito.

Temperature minime, medie e massime relative al 2014 (linee sottili), al 2015 (linee spesse) ed alla media climatica 1961-90 (puntini). Dati Dip. di Fisica – Unito.

Ma ho lasciato per ultimo il grafico più eclatante, che rende comprensibile in modo immediato quanto luglio 2015 sia risultato fuori statistica rispetto alla media ed al trentennio climatico 1961-90. In questo grafico vediamo tre terne di curve: minime, medie e massime relative al 2014 (linee sottili), al 2015 (linee spesse) ed alla media climatica (puntini). Beh, che dire: la curva delle temperature medie di luglio 2015 supera spesso la media climatica delle massime, e per 25 giornate su 31 supera le massime registrate un anno fa nello stesso periodo. La stessa cosa vale per l’andamento delle medie del 2015 rispetto alla media climatica delle minime ed alle minime del 2014. E penso che questo sia sufficiente… anche perché la curva delle massime è veramente incommentabile: basti dire che soltanto il 31 luglio 2015 è risultato sottomedia, e soltanto come valori massimi.

Elenco delle temperature minime, medie e massime più alte registrate nel periodo 1961-2015. I valori relativi al periodo 1961-1991 sono ricostruiti. Dati Dip. di Fisica - Unito.

Elenco delle temperature minime, medie e massime più alte registrate nel periodo 1961-2015. I valori relativi al periodo 1961-1991 sono ricostruiti. Dati Dip. di Fisica – Unito.

Nella tabella seguente andiamo proprio a vedere come si sono classificate le giornate singole di questo luglio nella classifica globale. Sono mostrate le prime venti posizioni per ogni valore termico (minima, media e massima), e abbiamo volutamente incluso, pur indicandoli in corsivo, anche i valori ricostruiti relativi al periodo 1961-90 (quando la stazione non c’era), in modo da collocare i valori attuali nel contesto storico. Si nota come, per tutte le temperature, ci siano tra otto e dieci giornate di luglio 2015 posizionate tra le venti più calde dal 1961. Aggiornato il record della minima del 13 agosto 2003, 26,5 °C, con i 27,1 °C del 7 e del 16 luglio; solo sfiorato il record di 32,3 °C delle medie dell’11 agosto 2003, con i 32,1 °C del 6 luglio; mentre si è avvicinato “al podio” delle massime la giornata del 21 luglio, con 38,1 °C, ancora lontano dai 39,4 °C dell’11 agosto 2003. Notiamo infine come, togliendo luglio 2015 e agosto 2003, rimangano pochi altri casi di giornate così calde in classifica.

Piogge cumulate nei vari mesi di luglio del III millennio. Dati Dip. di Fisica - Unito.

Piogge cumulate nei vari mesi di luglio del III millennio. Dati Dip. di Fisica – Unito.

L’ultimo grafico che vediamo si riferisce alle cumulate di pioggia registrate nel mese di luglio nella nostra stazione. Anche qui i valori sono stati ricostruiti nello stesso modo di quelli termici. Notiamo come sicuramente luglio 2015 sia risultato un mese generalmente poco piovoso, anche se già solo nel terzo millennio il luglio 2006 fu ancora meno piovoso. Si sono registrati soltanto tre episodi di pioggia, di cui due significativi, ed uno responsabile di oltre il 75% della precipitazione, legata ad un singolo evento temporalesco. Del resto, la maggior parte delle piogge estive sono legate ad episodi temporaleschi. Certo, paragonare luglio 2015 ai due anni precedenti, in cui si registrarono quasi 150 mm ciascuno, è impressionante. Tra l’altro, tenendo conto dell’insieme alte temperature – scarse precipitazioni, si intuisce che l’evapotraspirazione sia stata ingente e tale da far evaporare gran parte dell’acqua contenuta nello strato delle radici delle piante, trasformando una stagione che fino a giugno era idrologicamente non critica in una stagione a rischio di siccità (e certamente i pochi mm di pioggia caduti nella giornata odierna non possono risolvere la crisi).

In conclusione, dall’analisi dei valori acquisiti dalla nostra stazione di fisica si evince che abbiamo vissuto un altro mese che, alla luce dei riscontri statistici, può essere definito straordinario dal punto di vista termico, a dodici anni di distanza da un’estate storica caratterizzata da un altro mese straordinario. Sono caduti diversi record nella nostra stazione: quello delle minime in un singolo giorno, quello delle medie mensili di minime, medie e massime, e quello delle anomalie medie mensili minime e medie. A livello di pioggia, luglio 2015 è stato secco ma non il più secco, grazie ad un singolo evento temporalesco. Le previsioni per la settimana entrante mostrano la possibilità di un’altra robusta ondata di calore, e quindi vedremo se il 2015 avrà altre cartucce in serbo per archiviare definitivamente i record del 2003, o se – cosa che sinceramente speriamo – i valori rimarranno più contenuti.

Fa caldo, quindi impiego meno tempo a cuocere la pasta. O no?

Un amico mi ha posto il quesito seguente: “l’incremento delle temperature medie rispetto alla norma ha un qualche effetto misurabile sul tempo di cottura della pasta? A me pare di sì…”. Sono le tipiche domande che mi fanno scattare una molla: il quesito infatti mi ha incuriosito ed ho provato a ragionarci su.

Un piatto di pasta (fonte www.gushmag.it, Licenza #1894867 da www.canstockphoto.com Dasha Petrenko)

Un piatto di pasta (fonte http://www.gushmag.it, Licenza #1894867 da http://www.canstockphoto.com Dasha Petrenko)

Ho ben presente che uno studio di questo tipo ben si presterebbe ad essere candidato per il premio Ig Nobel, ma in realtà non aspiro a tanto, e ritengo invece utile fare due conti a spanne per vedere di dare una risposta all’amico. E siccome la risposta è interessante, ho deciso di trasformare la risposta in un post.

Per una volta, pubblico un post un po’ leggero, anche se le formule, come vedrete, non mancano. Notiamo subito, infatti, che si tratta di un bell’esercizio di fisica, e in particolare di termodinamica, ma serve anche qualche nozione di base di cucina. Conoscendo le mie modeste abilità culinarie (ma la pasta riesco anche io a cuocerla al dente!), ho cercato un po’ di aiuto sul web per le dosi, visto che normalmente io “vado a spanne”.

La pasta è prontaaaaa (fonte: thumbs.dreamstime.com)

La pasta è pronta! (fonte: thumbs.dreamstime.com)

Torniamo a noi. Parlavamo e parleremo di pasta, ma un discorso analogo varrebbe per il riso. Per preparare un piatto di pasta per due persone servono 160 grammi di pasta (ho detto due persone, non due lupi!) e almeno un litro di acqua. Anzi, la regola aurea dei cuochi (fonte: questo post) specifica che sono necessari 1 litro di acqua ogni 100 g di pasta, quindi nel nostro esempio occorrono 1.6 litri di acqua.

Se l’acqua si trovasse alla temperatura iniziale T, la quantità di calore che dovrebbe essere fornita dal fuoco della cucina a gas è Qa=ma ca ΔT dove ma=1 kg è la massa di acqua e ca= 4187 J/kgK il calore specifico dell’acqua, mentre ΔT=100-T è la differenza di temperatura tra la temperatura ambiente e quella di ebollizione dell’acqua (nella formula precedente, T va espressa in °C, mentre ΔT, essendo una differenza, può essere considerata in gradi Kelvin; 100 °C è la temperatura di ebollizione in condizioni standard: livello del mare, acqua distillata e pressione media).

La prima fase: portare l'acqua all'ebollizione (fonte: vanthian.altervista.org)

La prima fase: portare l’acqua all’ebollizione (fonte: vanthian.altervista.org)

A questa quantità di calore bisognerebbe aggiungere anche quella relativa alla pasta, che vale Qp=mp cp ΔT con mp=0.16 kg e cp=2.15 J/kgK (valore tratto da questa fonte: anche se non fosse esatto al 100%, vedremo più avanti che tale valore è ininfluente). In definitiva, Q=Qa+Qp=(6699.2+0.344) ΔT=6699.544 ΔT ≈6699.2 ΔT, ovvero la quantità di calore assorbita dalla pasta risulta trascurabile rispetto a quella assorbita dall’acqua.

Si noti che qui si fa l’ipotesi di mettere la pasta nell’acqua prima che questa bolla, ma in realtà, che la si metta prima o dopo, il discorso non cambia, in quanto il calore è energia, che è una grandezza additiva. Quello che potrebbe cambiare, invece, è il gusto della pasta… ma di questo non vorrei parlare!

Poniamo di aver regolato il gas in maniera tale che, alla temperatura ambiente in casa tipica di un mese fa (T1=24 °C), fossero necessari 10 minuti per portare acqua e pasta dalla temperatura ambiente all’ebollizione. Se la temperatura aumentasse fino al valore di questi giorni (T2=32 °C nelle case), servirebbe meno tempo per portare a ebollizione acqua e pasta? E se sì, di quanto si ridurrebbe?

Per rispondere a queste domande occorre valutare le quantità di calore alle due temperature:
Q1=( mp cp + ma ca) ΔT1   e   Q2=( mp cp + ma ca) ΔT2
Se ipotizziamo di regolare il gas allo stesso modo, dal momento che il gas fornisce la stessa potenza (energia per unità di tempo), si possono uguagliare le due potenze, calcolate dividendo il calore per l’intervallo di tempo:
P1=Q1/Δt1=( mp cp + ma ca) ΔT1/Δt1   e   P2=Q2/Δt2=( mp cp + ma ca) ΔT2/Δt2
e siccome P1=P2 se ne deduce che:
( mp cp + ma ca) ΔT1/Δt1 = ( mp cp + ma ca) ΔT2/Δt2
da cui:
Δt2=Δt1 ΔT2/ΔT1

La scolatura prima di impiattare (fonte: www.greenme.it)

La scolatura prima di impiattare (fonte: http://www.greenme.it)

Questa espressione – tra l’altro – risulta indipendente dalla massa della pasta e dell’acqua, e dipende invece soltanto dalla temperatura ambiente.

Usando i valori numerici sopra riportati:
Δt2=10 min 68/76 = 8 min 56 s
ovvero si risparmierebbero 1 minuto e 4 secondi, pari all’11% circa del tempo necessario per portare acqua e pasta all’ebollizione.

La percentuale dell’11% dipende dal rapporto tra le variazioni di temperatura ΔT2/ΔT1, ed è anche indipendente dalla potenza del gas usata.

Buon appetito!!!
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Alcune note qui di seguito, che spiegano alcune approssimazioni fatte in questo conto “spannometrico”.

  1. il guadagno sui tempi si limita alla fase necessaria a portare l’acqua in ebollizione; durante la cottura, infatti, l’acqua rimane in ebollizione e quindi non cambia nulla. Al limite, quando fa caldo, la dispersione termica dalla pentola è minore, per cui basta un fuoco basso a mantenere attiva l’ebollizione.
  2. Qualcuno potrebbe obbiettare che la pasta andrebbe cotta in acqua salata e non in acqua dolce, il che potrebbe comportare la variazione del punto di ebollizione: è vero. La regola aurea dei cuochi (fonte: questo post) dice che sono necessari 10 g di sale ogni 100 g di pasta, quindi nel nostro esempio di sopra ne occorrono 16. Il punto di ebollizione dell’acqua sale di 0.14 °C ogni 8 g di sale (fonte: questo post), per cui nel nostro esempio esso diventerà 100.28 °C invece di 100 °C. L’effetto, oltre che ad insaporire la pasta, è quello di diminuire (di poco) i tempi di cottura della pasta. Supponendo di versare il sale nell’acqua subito all’inizio, o comunque prima del raggiungimento del punto di ebollizione, ripetendo i conti di sopra si trova che il tempo risparmiato diventa il 10.5%, ed i dieci minuti di cottura si ridurrebbero di 1 minuto e 3 secondi, per cui l’effetto è minimo e può essere definito trascurabile.
  3. Rispetto ad un mese fa, la pressione superficiale è un pochino maggiore adesso, a causa della presenza dell’anticiclone africano, ma le differenze sono piccole, di qualche hPa. Una pressione maggiore fa aumentare il punto di ebollizione: ad esempio, un incremento di una ventina di hPa produce un aumento di 1 °C nella temperatura di ebollizione (fonte: questo post). L’effetto sulle tempistiche di ebollizione è pertanto simile a quello sopra descritto per l’acqua salata, ovvero del tutto trascurabile.
  4. Ho ipotizzato che l’acqua per la pasta abbia la stessa temperatura dell’aria in casa. Questa è in realtà un’ipotesi “forte”, in quanto normalmente l’acqua scorre sottoterra ed ha una temperatura inferiore a quella dell’aria, specialmente nella stagione fredda, quando le case sono riscaldate. Ad esempio, le simulazioni che facciamo con il modello WRF ci dicono che, oggi 23 luglio, la temperatura a 40 cm di profondità è di 27 °C circa. È un valore molto alto rispetto alla norma, tuttavia inferiore alle temperature tipiche che ci sono in casa. Tuttavia, in questi giorni, verifico sperimentalmente che, in realtà, se non si “tira l’acqua” per un po’ di tempo, il primo getto ha all’incirca la temperatura ambiente, visto che i tubi scorrono in casa ed i muri si sono riscaldati. Questo è particolarmente vero nelle ore in cui generalmente si consuma poca acqua, ovvero nei pressi del pranzo (dopo pranzo, invece, si lavano i piatti e l’acqua corre maggiormente, per cui è più fresca). La temperatura esatta dell’acqua dipende quindi dal consumo delle persone, o addirittura del condominio, e risulterebbe arduo determinarla a priori, e proprio per questo motivo ho scelto di usare la temperatura ambiente, il cui valore è determinabile con maggiore facilità. Se usassi valori inferiori, il rapporto ΔT2/ΔT1 tenderebbe ad aumentare e quindi il tempo risparmiato Δt2 tenderebbe a diminuire.

L’agonia dei ghiacciai alpini

Riscaldamento globale. Cambiamento climatico. Quante volte abbiamo letto sui giornali queste parole, o le abbiamo sentite nominare in televisione? Beh, recentemente direi abbastanza spesso. Eppure in molte persone rimane una sensazione di dubbio: sarà vero? Oppure è un complotto degli scienziati per avere più fondi?

Gruppo Levanne fotografato nell'agosto 2000

Gruppo Levanne fotografato nell’agosto 2000

Gruppo Levanne fotografato nel luglio 2015

Gruppo Levanne fotografato nel luglio 2015

Questo post non intende dare una risposta a queste domande, ma fornire un elemento su cui meditare. Lo scorso weekend mi sono trovato sul celebre sentiero del Re, in valle Orco, sopra i due laghi artificiali Serrù e Agnel e nei pressi del lago Nero e del lago Losere. Un posto paradisiaco, per inciso, ed infatti siamo proprio nel parco del Gran Paradiso. Camminando, mi sono ricordato di alcune foto che avevo scattato, ancora su pellicola, anni prima, lungo il sentiero.

Ghiacciai Capra e Carro fotografati nell'agosto 2000

Ghiacciai Capra e Carro fotografati nell’agosto 2000

Ghiacciai Capra e Carro fotografati nel luglio 2015

Ghiacciai Capra e Carro fotografati nel luglio 2015

Una volta tornato, ho cercato nel mio archivio e le ho trovate: si riferivano all’agosto 2000, quindici anni fa.Tra l’altro, la ricerca delle foto mi ha fatto pensare come, fino ad una decina di anni fa, cercare una foto significava prendere in mano un album, ripercorrere pagina dopo pagina i momenti passati, con una sensazione anche tattile ed odorosa delle foto. Ora la ricerca si riduce ad un’affannoso scartabellare a destra e a manca, sperando di trovare la maledetta chiavetta che contiene le foto, o almeno il suo backup… nella speranza che i dati non si siano dissolti.

In particolare, ho trovato due coppie di foto con inquadrature molto simili tra loro: evidentemente, i miei gusti fotografici non sono cambiati molto in questi quindici anni. Invece, lo stato dei ghiacciai…

Non pretendo di essere un fotografo professionista; in passato usavo una compatta, ed ora il telefonino. Ma ritengo che le foto siano di fattura sufficiente per permettere di rilevare il cambiamento dello stato dei ghiacciai in questi quindici anni. Per correttezza, premetto che ora siamo a luglio, mentre le foto del 2000 si riferivano ad agosto. La differenza non è banale: un anno fa alcuni passi alti erano ancora impraticabili per neve, in questi giorni. Ora invece solo le cime più alte conservano ancora un po’ di neve fresca, ma sta fondendo in modo rapidissimo grazie all’interminabile ondata di caldo di questo luglio.

Inoltre, spero che questi panorami con neve possano un po’ alleviare la calura di chi è costretto in città.

Si possono vedere cambiamenti nei ghiacciai in soli quindici anni? Dando uno sguardo alle foto, direi proprio di sì. Le maestose lingue glaciali che ancora nel 2000 si protendevano dal ghiacciaio del Nel, di Capra e Carro non esistono più, e sono state sostituite da esili residui di nevato che hanno i giorni contati, grazie ai colpi di zero termico sopra i 4500 metri che si sono susseguiti prima a inizio giugno e poi dai primi di luglio in modo quasi ininterrotto. L’ingrandimento del ghiacciaio del Carro mostra la parte terminale del ghiacciaio morente, interessata da fusione rapida. Il ghiacciaio di Nel presenta tutta una lunga frattura nella sua parte superiore, mentre anche qui la parte inferiore evidenzia un rateo di fusione straordinario.

Zoom sul ghiacciaio del Carro (foto luglio 2015)

Zoom sul ghiacciaio del Carro (foto luglio 2015)

Queste immagini sono emblematiche della tremenda agonia che sta caratterizzando quasi tutti i ghiacciai alpini. Lungo il sentiero, infiniti rivoli di acqua corrente e fresca testimoniano il processo di fusione in atto a tempi supersonici, date le temperature presenti in questi giorni (la stazione ARPA della Gran Vaudala, a oltre 3000 m di quota, ha spesso evidenziato temperature massime superiori a 10 °C in questi giorni).

Ecco, questo è un segno del cambiamento climatico. Lo abbiamo a due passi da casa, sulle nostre amate Alpi Graie. E il segno ci dice che il riscaldamento globale interessa anche le nostre Alpi. Tra altri quindici anni, forse, di questi ghiacciai non rimarranno che sparute chiazze di neve qua e là. O forse neppure quelle… Il ghiaccio non ama valori di zero termico superiori alla quota del Monte Bianco…

Civiltà dei turisti... così si presentavano i dintorni del lago Nero al nostro ritorno.

Civiltà dei turisti… così si presentavano i dintorni del lago Nero al nostro ritorno. E non possiamo neppure chiamarli maiali, perché i maiali sono più puliti!

Eppure… noi esseri umani siamo troppo distratti, e spesso non vediamo questo tipo di segnale, pur se così evidente. Sulle Alpi magari ci veniamo anche, e spesso, ma solo a fare un veloce barbecue, o una rapida camminata e poi via. Rigorosamente in auto, se possibile, e magari pure posteggiando il più vicino possibile al posto prescelto.
Quante volte ho sentito dire “ieri ho passato una splendida giornata in montagna, e respirato aria pura”… magari quella respirata sul ciglio della strada, dove l’aria non è troppo dissimile a quella della città.
E poi, magari, dopo aver mangiato e sbevazzato, i rifiuti li si lascia pure lì in bellavista. Infatti, camosci e marmotte vanno pazzi per la plastica e la carta… e soprattutto per le bottiglie vuote di birra!

Quel fatidico 17 aprile di ventiquattro anni fa in Piemonte…

Quel fatidico 17 aprile di ventiquattro anni fa in Piemonte…

Questa volta voglio condividere un ricordo personale del tutto particolare, relativo ad un giorno di ventiquattro anni fa che non ho più dimenticato: il 17 aprile 1991. Che non cadeva neppure di venerdì, come quest’anno, ma di mercoledì. Eppure…
Il 1991 è ricordato come l’anno dell’eruzione del Pinatubo, praticamente una delle ultime maggiori eruzioni vulcaniche che influirono, sia pure in minima parte, sull’andamento della temperatura media globale. Ad aprile avvenne anche la tragedia della Moby Prince. Ma il 17 ed il 18 sono ricordati per la neve in pianura, praticamente in tutto il nord Italia.
All’epoca il nostro Dipartimento (di Fisica Generale, Università di Torino) aveva una stazione di misura a Trino Vercellese, sulla torre di 120 metri costruita a fianco della centrale nucleare mai partita, come era prevista dalla legge per il monitoraggio atmosferico nei pressi delle centrali nucleari. Intorno alla torre, presso alcuni cascinali attigui, alcuni colleghi avevano dislocato delle piccole postazioni con degli strumenti (microbarometri e strumenti vari). Io ero dottorando in Geofisica del consorzio interuniversitario Genova-Torino-Modena. Nell’aprile 1991 decidemmo di fare una visita al laboratorio di Trino ed anche a tutte le stazioni vicine, portando anche con noi un laureando che aveva lavorato per quasi un anno sui dati di Trino, tanto per fargli vedere il sito che era stato oggetto della sua tesi.
Già allora, pur non essendoci previsioni dettagliate come oggi, le incursioni di aria fredda da est erano previste meglio di altri fenomeni, per cui già da qualche giorno si parlava di quell’avvezione; ricordo che sconsigliai la visita in tale giorno. Non arrivai a prevedere la neve, ma che avrebbe fatto un bel temporalone con magari grandine molle, graupel e tanto vento me lo aspettavo. Purtroppo, le logiche degli incroci del tempo libero di tutti non ci diedero altra scelta.
Partimmo dunque di prima mattina in cinque: io vestito in pratica da inverno, gli altri meno. Prima di partire, ricordo che consultai il numero telefonico 1911, che all’epoca era praticamente l’unico mezzo per sapere qualche valore meteo in giro per l’Italia, e sentìi che, nel nordest, faceva parecchio freddo, con temperature già sui 3-4°C. A Torino, invece, cielo sereno e temperature da inizio estate. Quando mi videro, vestito col giaccone pesante e gli scarponi, qualcuno dei colleghi mi prese bonariamente in giro… Io continuavo a ripetere: guardate che arriva, in Veneto fa già freddo. Ma quel cielo azzurro e quel caldo sembravano volermi sfottere…
Passammo la mattinata a fare le misure del caso. Ogni tanto qualcuno dei presenti alzava la testa, guardava il cielo azzurrissimo e terso, si detergeva il sudore, e mi guardava soltanto… o diceva “ma il tuo fronte freddo dov’è?” Verso mezzogiorno, c’erano 18°C, una leggerissima brezza, ed un cielo che lasciava presagire solo altro caldo…
Poi… alle 12 circa, cominciammo a sentire un venticello un pochino più teso. Alzammo la testa e, all’orizzonte verso est, scorgemmo dei nuvoloni scuri; contemporaneamente cominciammo a sentire un sommesso brontolio in distanza. In quel momento, pur non avendo mai sperimentato prima un fenomeno simile dal vivo, sentìi che la previsione era stata corretta: il fronte stava arrivando! Nel giro di qualche minuto, fummo raggiunti dal temporale prefrontale, che si manifestò con raffiche fortissime di vento, tuoni e lampi, pioggia orizzontale. Ora i sudori erano non più di fatica, ma di timore…
Avemmo appena il tempo di riparare nell’attiguo laboratorio, ai piedi della torre. Lì c’era il sistema di acquisizione con display che raccoglieva e visualizzava i dati in tempo reale, e ricordo di aver visto la temperatura letteralmente precipitare, con l’impressionante ed insostenibile rateo di circa 0,1 °C ogni dieci secondi.
Mi resi conto che stavo osservando un evento raro, uno di quelli che, per un appassionato di meteorologia quale ero e sono tuttora, si ricordano poi per tutta la vita.
Decidemmo, su mio consiglio, di andare a mangiare, vista l’ora, e visto che il fenomeno non prometteva di durare così poco. Nessuno ora mi diceva più nulla, e soprattutto nessuno mi prendeva più in giro. Nell’aria, c’era la sensazione che stava succedendo qualcosa di particolare. All’uscita dal pranzo, fummo accolti da ventate gelide: eravamo passati – come temperature – da valori tipici di inizio estate al tardo autunno. Il vento era ancora fortissimo, la temperatura era scesa sotto i 10°C, tuoni e fulmini a tutto andare. Recuperammo i pc lasciati in mattinata negli appositi alloggiamenti delle stazioncine, con non poca fatica, visto il vento e la pioggia sferzante. La portina di uno dei boxini venne divelta dal vento all’atto dell’apertura: nonostante la tenessimo, ci scappò di mano, e dovemmo rincorrerla per i campi: una scena veramente da Paperissima. Più tardi, nei pressi di un’altra cascina, all’atto di aprire una portiera della macchina, la portiera stessa venne spalancata da una raffica di vento improvvisa e si incrinò leggermente, tanto che si richiuse a fatica. Ovviamente tutti coloro che non si erano vestiti in modo adeguato (ovvero sia il laureando che gli altri miei colleghi) si ritrovarono bagnati come dei pulcini. In quel frangente, non nego che guadagnai un’enorme considerazione come previsore meteorologo, visto che avevo avvisato tutti da tempo che quel giorno non era proprio adeguato per una missione in campo…
Alla fine, dopo aver fatto tutto quanto si poteva ancora fare nonostante il maltempo, tornammo in macchina; col  riscaldamento acceso al massimo come se fosse inverno, anche per evitare che i colleghi si ammalassero (io invece ero tranquillo…), e via verso Torino. La temperatura nel frattempo era scesa ancora, indicativamente sui 4-5 °C: adesso, a 24 anni di distanza, devo dire che non ricordo i valori esatti, e comunque non avevamo i termometri addosso, né c’erano le app che si collegavano in internet per farci vedere i valori. Non c’erano neppure i siti di meteobufale: che bei tempi! Per dirla tutta, non c’erano neppure i telefonini. Sì, avete capito bene: per chiamare gli altri, si usavano i telefoni a gettone (!); solo i miliardari avevano le auto col telefono dentro; e dico miliardari perché, all’epoca, non c’era l’euro ma la lira; c’era il MEC invede della UE, e la moneta unica esisteva solo come valore fittizio, e si chiamava ECU. Altri tempi, è vero; ma sono ancora vivo e neppure così vecchio!!!
Nel tragitto verso Torino, cominciammo a veder cadere, nell’incredulità generale, i primi fiocchi di neve e, procedendo verso Chivasso, la precipitazione divenne totalmente nevosa, con accumulo al suolo. Inconcepibile, visto che era il 17 aprile. E anche se – ventiquattro anni fa – il global warming non aveva ancora scaldato per bene il nostro pianeta come oggi, anche perché i valori di CO2 erano nettamente inferiori (eravamo sui 351 ppm… oggi ahimé abbiamo superato i 400!!!), veder nevicare in pianura a metà aprile era un vero shock!

Torino il 17 aprile 1991.

Torino il 18 aprile 1991.

In giro, poi, si vedevano scene veramente comiche, imbarazzanti, da ridere: gente intirizzita e senza ombrello (ma anche se ce l’avevano, era inutilizzabile, a causa del vento), alcuni addirittura in pantaloncini e maniche corte, tutti a piedi o in bici sotto la neve, i cui fiocchi saettavano in orizzontale. Anche in città stava nevicando: una cosa rarissima vedere la neve cadere a tormenta nel centro di Torino! Anche d’inverno.
Più tardi, tornando a casa (abitavo a Baldissero Torinese, dietro Superga), scoprìi che la strada per Superga era stata chiusa, come accadeva d’inverno, probabilmente perché qualcuno aveva provato a salire senza gomme da neve e si era bloccato; per cui dovetti fare il giro da Chieri.

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Il mio giardino a Baldissero Torinese, fotografato la mattina del 19 aprile, quando il fronte e il relativo minimo lasciarono il Piemonte.

Nei due giorni, 17 e 18 aprile, nel mio giardino (a poco meno di 500 metri di quota), misurai 24 cm di neve fresca. La nevicata continuò ancora per parte del 18 aprile, poi il fenomeno cessò. Ricordo che le temperature rimasero comunque fresche, per il periodo, fino ai primi di maggio.
Non farò l’analisi meteorologica, in quanto sul web se ne trovano già infinite. Ne cito qui una per tutte di meteoasti, e qui un altro link al forum di meteopassione. Ma voglio comunque dare qualche numero. Presso la mia stazione di Baldissero Torinese, il 17, la minima del mattino fu 9,2°C, la massima fu 17,8 °C, mentre alle ore 20 c’erano -0,3°C; il giorno dopo, minima di -0,3°C e massima di 3,5°C. Precipitazione: 5 cm di neve il 17, e 19 cm il 18; come pioggia e neve fusa, 12,9 mm il 17 e 25,4 mm il 18. A Torino Buon Pastore (stazione ARPA), il 17 minima 0,6°C e massima 16,7 °C; il 18 minima 0,8°c e massima 8,3°C; precipitazioni come pioggia e neve fusa: 41,2 mm nei due giorni.
Qui di seguito, gli articoli di giornale apparsi nelle varie edizioni provinciali de La Stampa: praticamente in ogni provincia il titolo è più o meno lo stesso, ed in quasi tutte le province piemontesi appare lo stesso articolo del giornalista Minetti che lamenta la mancata previsione della neve fino in pianura. In Liguria, invece, la cronaca non riporta tanto il maltempo o la neve, ma l’effetto del vento sull’allargamento dell’enorme chiazza di petrolio che l’affondamento della Moby Prince aveva rilasciato tra Mar Ligure e Tirreno il 10 aprile 1991, ovvero solo pochi giorni prima.

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L’eclissi solare del 20 marzo 2015

L’eclissi solare del 20 marzo 2015

Nell'immagine, il punto scuro sulla superficie terrestre rappresenta la zona in cui si ha l'eclissi totale di Sole, mentre l'area grigia indica le zone in cui si vede un'eclissi parziale di Sole, con la superficie del disco solare tanto più "intaccata" dalla Luna quanto più ci si viene a trovare vicini alla zona di eclissi totale. Fonte: G. Veneziano.

Nell’immagine, il punto scuro sulla superficie terrestre rappresenta la zona in cui si ha l’eclissi totale di Sole, mentre l’area grigia indica le zone in cui si vede un’eclissi parziale di Sole, con la superficie del disco solare tanto più “intaccata” dalla Luna quanto più ci si viene a trovare vicini alla zona di eclissi totale. Fonte: G. Veneziano.

Il prossimo 20 marzo 2015, in Italia si verificherà un’eclissi solare. Il fenomeno fu osservato sin da tempi molto remoti, e siccome le conoscenze scientifiche dell’epoca non riuscivano a darne una spiegazione plausibile, veniva considerato portatore di sciagure (in questo documento si può trovare un bel riassunto di varie credenze ed aneddoti in diverse epoche storiche).

Oggi sappiamo che un’eclissi è un fenomeno ottico di oscuramento di una parte o anche tutto il disco solare da parte della Luna. Si verifica sempre in condizioni di novilunio o luna nuova. Si tratta di un evento piuttosto raro: Sole, Luna e Terra devono essere perfettamente allineati in quest’ordine; ciò è possibile solo quando la Luna, la cui orbita è inclinata di cinque gradi rispetto all’eclittica, interseca quest’ultima in un punto detto nodo. Quando il nodo si trova tra la Terra e il Sole, l’ombra della Luna passa in alcuni punti della superficie terrestre e si assiste a un’eclissi solare. Se invece il nodo si trova dalla parte opposta, si ha un’eclissi lunare.

Il fenomeno comunque si presenta così come lo vediamo grazie ad una fortunata coincidenza. Infatti, la distanza Terra-Sole è circa 400 volte maggiore della distanza Terra-Luna, ma anche il diametro del Sole è circa 400 volte maggiore del diametro della Luna; proprio perchè questi rapporti sono all’incirca uguali, Sole e Luna visti dalla Terra appaiono praticamente grandi uguali, e la loro dimensione angolare è pari a 0.5 gradi di arco. La Luna colpita dal Sole, proietta un cono d’ombra che, quando raggiunge la Terra, è largo solo 160 chilometri e viaggia a velocità comprese tra i 1800 chilometri orari all’equatore, fino a 7200 chilometri orari a latitudini più elevate, per cui può coprire un punto sulla superficie terrestre solo per alcuni minuti (all’incirca 8-9 all’equatore).

Percorso apparente dell'eclissi dell'11 agosto 1999 in cui si evidenzia la zona di totalità, sull'Europa, e le zone in cui risultò visibile un'eclissi parziale, con l'evidenziazione della percentuale di disco solare coperto dalla Luna. Fonte: G. Veneziano.

Percorso apparente dell’eclissi dell’11 agosto 1999 in cui si evidenzia la zona di totalità, sull’Europa, e le zone in cui risultò visibile un’eclissi parziale, con l’evidenziazione della percentuale di disco solare coperto dalla Luna. Fonte: G. Veneziano.

Dallo spazio un’eclissi solare si presenta come un cerchio di luce oscurata del Sole in moto su tutta la Terra. Ad esempio, questa animazione mostra, a titolo di esempio, la propagazione dell’ombra della Luna sulla superficie terrestre in occasione dell’eclissi di Sole dello scorso 11 agosto 1999. In tale occasione, il percorso della totalità dell’eclisse passò appena a nord dell’arco alpino, dopo aver sfiorato Parigi, e da tutte le città italiane si assistette soltanto ad una eclisse parziale con il disco solare coperto mediamente per il 90% del suo diametro.

Dopo aver visto perchè il fenomeno si verifica, cerchiamo ora di dare una risposta ad un’altra domanda: esistono, e se sì, quali sono le conseguenze di un’eclissi di Sole sulla fenomenologia meteorologica? Per dare una risposta, andiamo ad esaminare i dati raccolti da quattro stazioni meteorologiche in occasione dell’eclissi estiva di Sole sopra menzionata, praticamente l’ultima di un certo rilievo – pur se non totale – vista dall’Italia: quella dell’11 agosto 1999 (di cui qui si trova un interessante resoconto). Come stazioni meteorologiche abbiamo scelto: quella dell’università di Torino, ubicata sul tetto dell’istituto di fisica (da ora in poi UniTo); quella di Torino Buon Pastore, attiva fino al 2008 ed ubicata nella periferia urbana torinese (ToBP); quella dell’università del Piemonte Orientale, sede di Alessandria, ubicata sul tetto dell’edificio universitario (UniAl); e infine quella di Alessandria Lobbi, ubicata presso il casello di Alessandria Est, e quindi in area periferica, lontana dal centro cittadino (Lobbi).

Stazione meteorologica dell'Università a Torino.

Stazione meteorologica dell’Università a Torino.

Stazione meteorologica di Torino Buon Pastore.

Stazione meteorologica di Torino Buon Pastore.

Stazione meteorologica dell'Università ad Alessandria.

Stazione meteorologica dell’Università ad Alessandria.

Stazione meteorologica di Lobbi vicino ad Alessandria.

Stazione meteorologica di Lobbi vicino ad Alessandria.

Di queste quattro stazioni andiamo ora ad esaminare tre grandezze fisiche: la radiazione solare globale, la temperatura dell’aria e la velocità del vento. Premettiamo che i dati a cui facciamo riferimento non hanno la stessa frequenza di acquisizione: quelli relativi alle due stazioni universitarie sono infatti disponibili con frequenze di un dato ogni dieci minuti (UniTo e UniAl), mentre quelli delle altre due stazioni hanno frequenze di un dato ogni mezzora.

La radiazione solare globale mostra, in tutte e tre le stazioni, un brusco calo per un’ora e mezza circa, passando da valori compresi tra circa 600 e 700 W m-2 a valori ovunque inferiori a 100 W m-2 (riscontrati in precedenza tra le 5 e le 6 di mattina), per poi risalire su valori tra circa 730 e 850 W m-2, compatibili con la stagione in corso nel caso di un giorno soleggiato.

Andamento giornaliero della radiazione solare globale (espressa in W m-2) misurata nelle quattro stazioni meteorologiche prese in esame nel giorno 11 agosto 1999.

Andamento giornaliero della radiazione solare globale (espressa in W m-2) misurata nelle quattro stazioni meteorologiche prese in esame nel giorno 11 agosto 1999.

Andamento giornaliero della temperatura dell'aria (misurata in °C) misurata nelle quattro stazioni meteorologiche prese in esame nel giorno 11 agosto 1999. Al fine di evidenziare il fenomeno, il grafico è stato ritagliato tra le ore 8 e le ore 14.

Andamento giornaliero della temperatura dell’aria (misurata in °C) misurata nelle quattro stazioni meteorologiche prese in esame nel giorno 11 agosto 1999. Al fine di evidenziare il fenomeno, il grafico è stato ritagliato tra le ore 8 e le ore 14.

I diversi valori di picco riflettono sia la diversa torbidità del cielo nelle diverse postazioni, sia un’eventuale staratura dei sensori (specialmente per quello di UniAl, se paragonato con Lobbi). Il rapporto percentuale tra il valore minimo (tra le ore 10 e le 11) e massimo (tra le 11:30 e 12:30) del giorno, nei tre siti, vale: 8% per UniTo, 10% per ToBP, 9% per UniAl e 10% per Lobbi.

La temperatura, nelle quattro stazioni, mostra un andamento del tutto paragonabile ed evidenzia un anomalo e brusco calo termico, a metà mattina, proprio – non inaspettatamente – in corrispondenza alle ore dell’eclissi, e quantificabile in 1.5-2.5 °C circa, col minimo posizionato intorno alle ore 11, e di durata praticamente trioraria (dalle 9:30 alle 12:30).

Il modulo della velocità orizzontale del vento è una grandezza che risente, ovviamente, molto di più delle precedenti del posizionamento della stazione meteorologica. Le stazioni di ToBP e Lobbi, ad esempio, sono installate al livello del suolo stradale, ed in esse l’anemometro (non visibile in figura, nel caso di ToBP) non è posizionato in maniera standard, ovvero è posto ad altezze inferiori ai canonici 10 m.

Le stazioni di UniTo e UniAl, invece, sono posizionate sul tetto dei rispettivi edifici universitari, ad altezze di una ventina di metri dal fondo stradale; tuttavia, il palo anemometrico di UniTo (non visibile in figura, in quanto messo nel punto da quale è stata presa la foto) è sopraelevato di 10 m rispetto al livello del tetto, mentre quello di UniAl lo è di soli 2,5 metri. Questo fa ovviamente sì che il dato di UniTo risulti maggiore rispetto a quello delle altre località. In questo caso, inoltre, è anche importante il tempo di media del dato, che per ToBP e Lobbi è di mezzora, e per UniTo e UniAl di dieci minuti. Non ho voluto, tuttavia, manipolare troppo i dati, al fine di mostrare i loro reali andamenti osservati.

Andamento giornaliero del modulo della velocità del vento (misurato in m/s) misurato nelle quattro stazioni meteorologiche prese in esame nel giorno 11 agosto 1999. Al fine di evidenziare il fenomeno, il grafico è stato ritagliato tra le ore 8 e le ore 14.

Andamento giornaliero del modulo della velocità del vento (misurato in m/s) misurato nelle quattro stazioni meteorologiche prese in esame nel giorno 11 agosto 1999. Al fine di evidenziare il fenomeno, il grafico è stato ritagliato tra le ore 8 e le ore 14.

Pur tenendo conto della grande variabilità intrinseca della grandezza fisica modulo della velocità del vento, si nota come, in tre stazioni, i valori centrati sulle ore 11 non mostrano incrementi rispetto a quelli delle ore 10, mentre tendono ad aumentare leggermente verso le ore 12. Fa eccezione ToBP, che invece mostra un valore pressoché stabile in mattinata.

L’analisi combinata dei vari grafici evidenzia come il calo di radiazione solare causato dall’eclissi dell’11 agosto 1999 abbia interrotto il riscaldamento del terreno, e questo abbia rallentato leggermente anche l’intensità della brezza diurna. L’effetto risulta quindi paragonabile a quello dovuto al passaggio di un esteso banco di nubi (a parte le eventuali precipitazioni ad esse associate).

Andamento giornaliero della radiazione solare globale (espressa in W m-2) misurata a UniTo nei giorni 20 marzo degli anni compresi tra il 2005 ed il 2014. Sono ovviamente mostrate soltanto le ore di sole.

Andamento giornaliero della radiazione solare globale (espressa in W m-2) misurata a UniTo nei giorni 20 marzo degli anni compresi tra il 2005 ed il 2014. Sono ovviamente mostrate soltanto le ore di sole.

Vediamo ora, sulla base dei dati registrati nella stazione di UniTo negli ultimi anni, cosa è lecito aspettarsi il prossimo 20 marzo 2015 a livello di quantitativi di radiazione.

Innanzitutto osserviamo i grafici relativi alla radiazione osservata negli ultimi dieci anni (dal 2005 al 2014) nella stazione UniTo. Come si vede dalla figura, nei dieci anni si sono avute giornate con nuvolosità di vario tipo (si notano anche i picchi di radiazione superiori a quelli delle giornate a cielo sereno, nel 2010, dovuti alla riflessione da parte delle nubi in condizioni di cielo poco nuvoloso), per cui l’insieme statistico, pur se limitato a soli dieci anni, risulta abbastanza indicativo della situazione che potrebbe accadere il prossimo 20 Marzo. La curva nera e spessa indica il valore medio nel decennio considerato.

A questo punto, possiamo ipotizzare a quanto ammonterebbe l’oscuramento causato dall’eclissi. Abbiamo fortunatamente già a disposizione tutti i dati astronomici relativi all’eclissi: a Torino, l’eclissi inizierà alle 9:24 e si concluderà alle 11:44, ora locale solare, e la porzione di disco solare arriverà ad un valore massimo del 66% alle ore 10:30. Ipotizzando una variazione lineare della radiazione solare tra il 100% alle 9:22 ed il 66% alle ore 10:30, per tornare al 100% alle ore 11:41 (dati tratti da questa fonte). Pertanto, risulta possibile valutare la radiazione che si sarebbe ottenuta in ognuno dei dieci anni precedenti se vi fosse stata un’eclissi con le stesse caratteristiche, e pertanto valutare la quantità di radiazione che non sarebbe giunta a terra: chiameremo tale quantitativo “radiazione eclissata”. Tali valori sono mostrati nella figura seguente (in basso a destra).

Andamento giornaliero del quantitativo di radiazione eclissata (espressa in W m-2) che sarebbe stata misurata a UniTo nei giorni 20 marzo degli anni compresi tra il 2005 ed il 2014 se si fosse verificata l'eclissi. Per motivi grafici, si è ristretto l'asse dei tempi alle sole ore dell'eclissi (tra le 9 e le 12).

Andamento giornaliero del quantitativo di radiazione eclissata (espressa in W m-2) che sarebbe stata misurata a UniTo nei giorni 20 marzo degli anni compresi tra il 2005 ed il 2014 se si fosse verificata l’eclissi. Per motivi grafici, si è ristretto l’asse dei tempi alle sole ore dell’eclissi (tra le 9 e le 12).

Andamento giornaliero del quantitativo di radiazione media nel decennio 2005-2014 rilevata a UniTo (linea continua) e del quantitativo teorico medio senza la radiazione media eclissata eclissata (linea tratteggiata), entrambe espresse in W m-2.

Andamento giornaliero del quantitativo di radiazione media nel decennio 2005-2014 rilevata a UniTo (linea continua) e del quantitativo teorico medio senza la radiazione media eclissata eclissata (linea tratteggiata), entrambe espresse in W m-2.

Naturalmente, il grafico evidenzia valori di eclissamento diversi in funzione della nuvolosità presente nel giorno in questione. Ci sono due approssimazioni in questo grafico: la prima consiste nell’aver ipotizzato lineare il fattore di eclissamento del disco solare (questa ipotesi, pur se rozza, è – a mio giudizio – abbastanza ragionevole); la seconda consiste nell’aver ipotizzato che, se il disco solare viene elissato di un tot percento, anche la radiazione solare globale ricevuta a terra risulta eclissata della stessa percentuale. Quest’ultima approssimazione, a rigore, sarebbe valida per la sola componente diretta, e non per quella diffusa. Tuttavia, dal momento che, nell’intorno della stazione, la percentuale di eclissamento del disco solare non varia in modo apprezzabile, si può ritenere che anche questa seconda approssimazione comporti errori trascurabili rispetto alla precisione strumentale: il radiometro installato è infatti costituito da una termopila della Eppley Psp con range di misura 0÷2800 W/m² nella banda spettrale 0.285÷2.8 µm e possiede un’incertezza dell’1% (pari a circa 5-10 W/m²).

Considerando il valore della radiazione solare globale media nel decennio, si può far riferimento al grafico (in alto a sinistra) che mostra il valore medio della radiazione osservata e quello della radiazione osservata diminuita del quantitativo eclissato (linea tratteggiata). Sul Piemonte, l’eclissi si verificherà in mattinata, e quindi la radiazione eclissata risulterà essere attenuata, in media, di circa 200 W/m² nel momento del minimo. L’integrale dell’area sottesa tra le due curve fornisce il quantitativo di energia media perduta a causa dell’eclissi.

Radiazione solare osservata presso la stazione di UniTo oggi 15 marzo 2015 fino alle ore 16:00 solari.

Radiazione solare osservata presso la stazione di UniTo oggi 15 marzo 2015 fino alle ore 16:00 solari.

Il valore numerico di tale area è quantificabile in circa 0,88 MJ/m². A titolo di paragone, si può valutare quale sia il consumo di una lampadina ad incandescenza da 100W lasciata accesa per la durata dell’eclissi (circa 2 ore e 20 minuti): si trova 233 Wattora, ovvero 0,84 MJ/m², una quantità paragonabile alla radiazione eclissata per metro quadrato. Naturalmente, non si deve pensare che tale valore corrisponda esattamente al quantitativo di energia prodotta, in quanto la termodinamica insegna che nessun sistema fisico è in grado di trasformare interamente in energia elettrica o termica tutta la radiazione solare ricevuta. Si noti tuttavia come il valore di minimo raggiunto dalla curva media abbia un valore di circa 100 W/m², che risulta pienamente compatibile con il valore di una tipica giornata caratterizzata da cielo coperto. Ad esempio, oggi 15 marzo 2015, data in cui sto ultimando questo post, la radiazione solare globale osservata presso UniTo (i dati sono consultabili in questa pagina) è rimasta fino ad ora quasi sempre inferiore ai 100 W/m², a parte un breve periodo intorno a mezzogiorno; tali condizioni sono peraltro comuni a buona parte dell’Italia settentrionale ed aree limitrofe.

Esempio di ciclone extratropicale: il sistema del 18 dicembre 2007 (fonte: pixgood).

Esempio di ciclone extratropicale: il sistema del 18 dicembre 2007 (fonte: pixgood).

I valori appena calcolati mostrano che l’effetto dell’eclissi non è trascurabile, ma risulta paragonabile all’effetto del passaggio di un sistema di nubi esteso per circa un migliaio di km. In effetti, questa animazione relativa all’eclissi dell’agosto 1999 sulla Terra mostra come l’area interessata dal fenomeno sia risultata paragonabile all’area di nuvolosità di un classico ciclone extratropicale (ovvero di una depressione con annessi fronti freddo e caldo, quali quelle che si presentano sulla nostra testa con una frequenza media di una ogni quattro giorni – si veda ad esempio la figura a fianco), solo in moto molto più rapido: abbiamo infatti detto sopra che il cono d’ombra viaggia a circa 1800 km/h, ovvero 500 m/s, da paragonare con i circa 10-50 m/s che costituiscono la tipica velocità di fase di un ciclone extratropicale: così il transito del cono di ombra e penombra impiega circa 2 ore, mentre il transito dell’area nuvolosa collegata ad un ciclone extratropicale impiega circa 1-4 giorni.

Dal momento che l’Unione europea produce circa 90 GW di energia solare e la produzione si potrebbe ridurre temporaneamente fino a 34 GW, se il cielo sarà sereno, secondo quanto si deduce dalle analisi dei gestori (si veda ad esempio questa analisi), ci si attende che l’eclissi solare del 20 marzo 2015 possa avere un impatto significativo sul sistema di potenza elettrica generato con fonti non convenzionali. A questo proposito, giova ricordare che la riduzione potrebbe non riguardare soltanto la produzione di energia solare, ma anche quella eolica (si veda questo documento). Sicuramente la produzione di elettricità da fonti non convenzionali è aumentata in modo rilevante negli ultimi anni. Nonostante queste considerazioni, tuttavia la mia precedente analisi mostra come il fenomeno dell’eclissi non sembra avere effetti così drammaticamente diversi da quelli prodotti dall’arrivo, sulle stesse zone, di un normale ciclone extratropicale delle medie latitudini, se non per la rapidità del passaggio della zona oscurata. Ciò nonostante, visto che, a parte la nuvolosità del momento, le principali caratteristiche astronomiche dell’eclissi sono note da tempo, il settore elettrico sta comunque adottando le misure del caso in modo da mitigare l’impatto dell’eclissi stessa.

La radiazione ultravioletta è la componente più pericolosa in quanto ha energia sufficiente per spezzare i legami chimici, provocando danni a carico dell’occhio come lo pterigio, la pinguecola, la cheratite, la cataratta senile e la degenerazione maculare senile, nonchè una percentuale maggiore dello sviluppo di tumori a carico della cute perioculare. Fonte: dott. Benedetti.

La radiazione ultravioletta è la componente più pericolosa in quanto ha energia sufficiente per spezzare i legami chimici, provocando danni a carico dell’occhio come lo pterigio, la pinguecola, la cheratite, la cataratta senile e la degenerazione maculare senile, nonchè una percentuale maggiore dello sviluppo di tumori a carico della cute perioculare. Fonte: dott. Benedetti.

Per concludere, vorrei ancora sottolineare un aspetto. L’eclissi di Sole è un fenomeno sicuramente intrigante e il fatto che la radiazione proveniente dalla nostra stella sia ridotta potrebbe indurre a pensare che sia molto meno pericoloso osservare il Sole, magari addirittura ad occhio nudo. Ebbene, non fatelo. Se guardare il Sole pieno ad occhio nudo produce un’immediata sensazione di dolore che costringe a chiudere l’occhio e non è particolarmente dannoso, un’esposizione prolungata può produrre lesioni alla retina e danni all’apparato oculare, soprattutto per effetto dei raggi ultravioletti, mentre la componente infrarossa può riscaldare eccessivamente le pareti oculari. In caso di eclissi parziale, il pericolo tuttavia è maggiore, in quanto la pupilla rimane spiazzata dalla vicinanza tra la porzione di disco solare non ombreggiato e la parte in ombra, e tende a dilatarsi, esponendo quindi maggiormente la retina alla radiazione da parte della porzione di Sole non eclissata ed aumentando il rischio di danneggiamento permanente delle cellule della retina, per di più senza sperimentare alcun dolore. È quindi opportuno utilizzare filtri ottici appropriati, del tipo delle lenti da saldatore, in grado di filtrare opportunamente la componente ultravioletta dello spettro; mentre l’efficacia di dispositivi improvvisato, come ad esempio i vecchi rullini fotografici vergini, rischia di essere minima o nulla, e pertanto è sconsigliata. Allo stesso modo, osservare il Sole con un binocolo senza filtri equivale a concentrare sulla retina la radiazione, ed è operazione dannosissima. Ricordiamoci che un’eclissi dura due ore, ma un eventuale danno all’apparato oculare potrebbe produrre danni permanenti che ci porteremo dietro quindi per tutta la vita. La cautela è d’obbligo!