Breve storia della meterologia: dai primi strumenti di misura alla

Breve storia della meterologia: dai primi
strumenti di misura alla previsione numerica
Teresa López-Arias
Laboratorio di Comunicazione delle Scienze Fisiche
Dipartimento di Fisica, Università di Trento
A.A. 2011-12
11 aprile 2012
To understand a science it is necessary to know its history
Auguste Comte (1798-1857)
“L’esalazione dall’acqua e vapore, la condensazione
dall’aria in acqua è nube”
Meteorologia, Aristotele (300 A.C.)
“Se dunque l’acqua si genera dall’aria e l’aria dall’acqua, come si spiega che le
nubi non si formino nel luogo superiore? Ciò dovrebbe infatti verificarsi dal
momento che il luogo è più lontano dalla terra e più freddo, perchè non è vicino nè
agli astri caldi nè ai raggi riflessi dalla terra, che, col loro calore, impediscono la
formazione delle nubi vicino alla terra, dissolvendo le condensazioni: infatti le
formazioni di nubi si hanno proprio là dove i raggi, per la dispersione nello spazio
aperto, perdono vigore”
Meteorologia
Fisica dell’atmosfera: capire
i meccanismi che spiegano le
osservazioni e il
comportamento dell’atmosfera
Previsione: riuscire a
prevedere, partendo dallo
stato attuale dell’atmosfera,
quale sarà il suo stato fra un
dato intervallo di tempo
Strumenti di misura
Termodinamica
Interazione radiazione (sole)- materia (atmosfera e
oceani)
Elettromagnetismo (fulmini, fenomeni EM in atmosfera)
Ottica (fenomeni visibili a “occhio nudo”)
Fluidodinamica
Chimica
Risoluzione delle equazioni di
Navier-Stokes per un fluido
reale (viscoso)
Modelli numerici e concettuali
Analisi statistica
Predicibilità
Climatologia (raccolta e analisi
dati per lunghe scale di tempo)
Fisica, matematica, statistica, calcolo numerico
Strumenti: dal barometro ai satelliti
Impatto economico del “tempo”
SCIENZA E TECNOLOGIA
Meteorologia
Le tre “tradizioni”
(F. Nebeker: Calculating the weather: Meteorology in the 20th century,
Ed. Academic Press 1995)
Osservatore (empirismo): raccolta data, analisi statistico, climatologia
Filosofo naturale (teoria): modelli e teoria, equazioni, meteorologia dinamica
Previsore (praxis): pochi data e (quasi)nessuna teoria, abilità personale e
esperienza
Queste “tradizioni” rimasero praticamente isolate e si evolsero indipendentemente
fino alla metà del secolo scorso
Due fattori storici contribuirono in maniera eclatante alla graduale fusione di questi
“mestieri”:
le due guerre mondiali e lo sviluppo dell’aeronautica
Quando nasce la meteorologia come scienza?
Come si è sviluppata la scienza della previsione?
DATA PUSH
Strumenti, raccolta sistematica di dati, unificazione dei
dati (unità di misura, taratura degli strumenti,
condivisione dei dati). Organizzazione dei dati: tabelle,
mappe, grafici, analisi statistica; trovare regolarità nei dati
THEORY PUSH
Contributi alla conoscenza dei processi fisici in atmosfera
da “esterni” al mondo della previsione e della misura:
matematici, fisici, ingegneri
PREDICTION PUSH
Sviluppo di modelli e “modi” di previsione dettati dal
bisogno: previsioni in tempo di guerra, sviluppo
dell’aeronautica militare e commerciale, navigazione,
agricoltura, previsione di disastri (uragani, inondazioni,
tornado..)
L’impulso più importante:
la necessità di fare “scienza, non arte”
Il periodo del “volo statico”:
mongolfiere e palloni
I primi modelli e
teorie
Raccolta dati:
P, T, RH
Il ‘700:
Le grandi rotte della navigazione
Le esplorazioni
Le battaglie navali
FitzRoy, Saussure, Humboldt
La mappa sinottica
L’era moderna: il radar, i satelliti,
le comunicazioni e i calcolatori veloci, la previsione
a medio e lungo tempo, il clima
Il volo di macchine più
pesanti dell’aria
‘900: Modelli e
teorie al servizio
della previsione
L’era della computazione
numerica
Von Neumann e Rossby
La meterologia come
scienza indipendente
‘800
Visione meccanica del mondo
Paradigma newtoniano
Sviluppo della termodinamica
La macchina a vapore, il telegrafo
La rivoluzione industriale
Contrasto scienza-previsione
Il ruolo del pubblico e dell’arte nel
periodo romantico: Davy, Faraday,
Howard, Goethe
La guerra di Crimea
Il calcolatore
V. e J. Bjerkness
La scuola di Bergen
Primi tentativi di calcolo:
Richardson e Bjerkness
I due conflitti mondiali
La tradizione empirica (qualitativa)
William Merle, fellow del Merton College, Oxford, registra ogni giorno,
tra il 1337 e il 1344, le caratteristiche del tempo
Tycho Brahe, mantiene registri meteorologici giornalieri dal 1582 al 1598
Il barometro e il termometro: quantificare
G. Galilei (1564-1643)
E. Torricelli (1608-1647)
“I would like to walk in the footsteps of this
great man”
Humboldt, riferendosi a Saussure
Alexander Von Humboldt
(1769-1859)
Horace-Bénédict
de Saussure
(1740-1799)
©A. Lastri
Charles Darwin
(1809-1882)
Scala il Monte Bianco (1787)
Propone una teoria sugli spostamenti dei ghiacciai
Inventa il modo per misurare le gradazioni di blu –cianometro- e di
transparenza dell’aria -diafanometro
Popolarizza i termini “geologo” e “geologia”
Inventa l’igrometro a capelli (1783)
Disegna una sorta di anemometro
Inventa termometri per misurare la temperatura dei laghi in profondità
Incontra Benjamin Franklin a Londra nel 1769
Horace-Bénédict de Saussure
E’ il primo a sistemare una stazione meteorologica ad alta quota
(1740-1799)
Cerca di riprodurre l’azzurro del cielo usando una soluzione di sulfato di rame
in amoniaca
Alexander Von Humboldt
(1769-1859)
Nel 1817 introduce un modo di dare
la distribuzione di temperatura sulla
superficie terrestre tracciando le
isoterme (punti con la stessa
temperatura media).
Il metodo delle isolinee ebbe un
impatto enorme sullo sviluppo della
meteorologia
Disegna grafici della temperatura in
funzione della quota
Cianometro di Saussure
La prima metà dell’ottocento vede lo studio di
grandi sistemi naturali, in contrasto con gli studi
più controllati, fatti in laboratorio. Questi studi
segnano la nascita di branche della scienza quali
la geologia, la botanica, l’anatomia comparativa,
la meteorologia: le cosiddette (in parole di
Goethe) scienze morfologiche
Dent du géant (4013 m)
In questi studi raramente
vengono applicate leggi
generali della fisica e non
viene utilizzato un
formalismo matematico:
sono, per la maggior
parte, descrittive
Col du géant, litografia di Saussure
Benjamin Franklin (1706-1790)
Nei suoi viaggi nell’oceano,
misura la temperatura della sua
superficie, introducendo il
termometro come strumento di
navigazione.
Avanza l’esistenza della
corrente del Golfo, che disegna
in una mappa, dalle descrizioni
date da un suo amico baleniere.
Considera gli effetti della
deforestazione, a lungo termine:
“cleared land absorbs more heat
and melts snow quicker”
Studia la natura dei fenomeni elettrici e, in
particolare dei fulmini
Inventa il parafulmine e le lenti bifocali
Nel 1753 avanza una spiegazione del processo
della convezione, cercando di spiegare i
fenomeni dei tornado, vortici d’aria, e i
cosiddetti “waterspouts”:
“1. That the lower region of air is often more
heated, and so more rarified, than the upper;
consequently, specifically lighter. The coldness of
the upper region is manifested by the hail, which
sometimes fall from it in a hot day”
2. That heated air may be very moist, and yet the
moisture so equally diffused and rarified, as not to
be visible till colder air mixes with it, when it
condenses and becomes visible. Thus our breath,
invisible in the summer, becomes visible in winter”
“Some men are weatherwise, some are otherwise”
B. Franklin
“as the pioneer of the rational long-range
forecasters, and of the physical meteorologists who
will, undoubtedly, in the future develop this difficult
subject” C. Abbe su B. Franklin, in occasione
del bicentenario della sua nascita, 1906
Luke Howard (1772-1864)
Quakero di origini
Lavora con suo padre nella
produzione di prodotti chimici
farmaceutici
Con il farmacista William
Allen fonda la “Askesian
Society” dove per la prima
volta legge il suo saggio sulle
nuvole
Nel 1803 scrive “Essay on the
modification of clouds” dove
da la nomenclatura dei
diversi tipi di nuvole che
perdura fino ad oggi
Corrisponde a lungo con
Goethe che gli dedica diversi
poemi
Nel 1819 scrive “The weather
of London”
Caspar D. Friedrich (1774-1840)
“Since the increased attention which has been given to Meteorology, the study of the
various appearances of water suspended in the Atmosphere is become an interesting
and even necessary branch of that pursuit. [...]
They (the clouds) are subject to certain distinct modifications, produced by the
general causes which effect all the variations of the Atmosphere: they are commonly
as good visible indications of the operation of these causes as is the countenance of
the state of a person’s mind or body”
“Neither
it is pretended that
Electricity is any further
concerned in the production
of rain than as a secondary
agent, which modifies the
effect of two grand
predisposing causes- a
falling temperature and the
influx of vapor”
Luke Howard, 1803
Cirrus, cumulus, stratus, nimbus
John Constable (1776-1837)
J.M.W. Turner (1775-1871)
Snow storm (1842)
Storm Clouds: Sunset with a Pink Sky (1833)
Study of sky
Storm at sea (1829)
George Washington Wilson (1823-1893)
... Howard gives us
His new doctrine’s most glorious prize:
He grips what cannot be held, cannot be reached:
He is the first to hold it fast.
He gives precision to the imprecise..
Goethe in un poema dedicato a Howard
From “On the modification of clouds”, Luke Howard, 1803
CIRRUS: Nubes cirrata, tenuissima, quae undique crescat
Parallel, flexuous, or diverging fibres, extensible by increase in any or in all directions
CUMULUS: Nubes cumulata, densa, sursum crescens
Convex or conical heaps, increasing upward from a horizontal base
STRATUS: Nubes strata, aquae modo expansa, deorsum crescens
A widely extended, continuous, horizontal sheet, increasing from below upward
Cirrus (Ci)
Cumulus (Cu)
Stratus (St)
From “On the modification of clouds”, Luke Howard, 1803
Intermediate modifications:
CIRRO-CUMULUS: Nubecualae densiores subrotundae et quasi in agmine appositae
Small, well defined roundish masses, in close horizontal arrangement or contact
CIRRO-STRATUS: Nubes extenuata subconcava vel undulata. Nubeculae hujusmodi appositae
Horizontal or slightly inclined masses attenuated towards a part or the whole of their
circumference, bent downward, or undulated; separate, or in groups consisting of small
clouds having these characters
Compound modifications:
CUMULO-STRATUS Nubes densa, basim planam undique supercrescens, vel cujus moles longinqua
videtur partim plana partim cumulata
The Cirro-stratus blended with the Cumulus, and either appearing intermixed with the heaps
of the latter or superadding a wide-spread structure to its base
CUMULO-STRATUS Nubes densa, basim planam undique supercrescens, vel cujus moles longinqua
videtur partim plana partim cumulata
The Cirro-stratus blended with the Cumulus, and either appearing intermixed with the heaps
of the latter or superadding a wide-spread structure to its base
CUMULO-CIRRO-STRATUS vel NIMBUS Nubes vel nubium congeries [superné cirrata] pluvium
effundes
The Rain cloud. A cloud or system of clouds from which rain is falling. It is a horizontal
sheet, above which the Cirrus spreads, while the Cumulus enters it laterally and from
beneath
John Constable (1776-1837)
Study of cumulus clouds, 1822
John Constable (1776-1837)
Study of cirrus clouds, 1822
I am the daughter of Earth and Water,
And the nursling of the Sky;
I pass through the pores, of the ocean and shores;
I change, but I cannot die
For after the rain, when with never a stain
The pavilion of Heaven is bare,
And the winds and sunbeams, with their convex gleams,
Build up the blue dome of Air
I silently laugh at my own cenotaph
And out of the caverns of rain,
Like a child from the womb, live a ghost from the tomb,
I arise, and unbuild it again
from The cloud, Percy B. Shelley (1792-1822)
“O! It is pleasant with a heart at ease
Just after sunset, or by moonlight skies,
To make the shifting clouds be what you please”
Fancy in Nubibus , or the Poet in the Clouds
Samuel Taylor Coleridge, 1819
3359 m
Conrad Martens (1801-1878) Il Beagle nel suo arrivo alla Tierra del Fuego
DATA E PREDICTION PUSH
Vice-Almirante Robert FitzRoy
(1805-1865)
Protegè di Francis Beaufort
Comandante del Beagle (primo viaggio, 1831-1836)
Sfruttando il nuovo telegrafo elettrico, barometri e
termometri economici, e la raccolta dati di 22 stazioni
sulle coste dell’Inghilterra, nel 1861, inizia a divulgare
bollettini per avvertire dell’arrivo di tempeste ed è
incaricato del British Meteorological Office (Met
Office) (fondato nel 1855)
La Royal Society non approva i suoi “metodi”: troppo
pratici, troppo poco ortodossi, e troppo imprecisi
per poter essere chiamati scienza
Nel 1866 la RS vieta al Board of Trade di emmettere
altri bollettini con previsioni, per riprendere solo nel
1879, diventando il Meteorological Office
The weather book, 1863
1853 International Conference on Marine Meteorology, Bruxelles
Heinrich Wilhelm Dove (1803-1879)
Joseph Henry (1797-1878): nel1849 crea una rete di stazioni
meteorologiche; “there is, perhaps, no branch of science relative to which
so many observations have been made and so many records accumulated,
and yet from which so few general principles have been deduced”
Capt. Mathew Maury (1806-1873): “Chart of the winds and currents”
Il suo lavoro di “profeta
del tempo” perturba gli
uomini di scienza della
RS che temono di
mettere in pericolo la
reputazione della
“scienza vera”
FitzRoy conia la parola “forecast”, facendo enfasi nel suo vero significato:
“Prophecies or predictions they are not; the term forecast is strictly
applicable to such an opinion as is the result of a scientific combination and
calculation, liable to be occasionally, though rarely, marred by an unexpected
“downrush” of southerly wind, or by a rapid electrical action not yet
sufficiently indicated to our extremely limited sight and feeling. We shall know
more and more by degrees” (la parola “opinion” sottolineata nell’originale)
Vice-Admiral Robert FitzRoy
“At a recent meeting of the shareholders of the Great Western Docks at Stonehaven,
Plymouth, it was stated officially that the deficiency [in revenue] is to be attributed chiefly to
the absence of vessels requiring the use of the graving docks for the purpose of repairing the
damages occasioned by storms and casualties at sea” Commento fatto da FitzRoy,
davanti alla RS, nel 1862, a proposito degli effetti dei sui “forecasts”
La RS nel 1865:
“The system of weather telegraphy and of foretelling the weather is not in a satisfactory
state. It is not carried on by precise rules; and has not been established by a sufficient
induction from facts. The storm warnings have, however, been to a certain degree
successful, and are highly prized. We think that the daily forecasts ought to be
discontinued, and that an endeavour should be made to improve the storm warnings, to
define the principles on which they are issued, and to test those principles by accurate
observations.” [...] “.. it will not be forgotten that it was Admiral FitzRoy who gave the
first impulse to this branch of inquiry, who induced men of science and the public to take
interest in it and sacrificed his life to the cause”
Una curiosità..
FitzRoy’s “Storm glass”
Ingredients
2.5 g potassium nitrate
2.5 g ammonium chloride
33 mL distilled water
40 mL ethanol
10 g camphor
Clear liquid: bright weather
Dim liquid: rain
Large flakes: overcast or, in winter, snowy
skies
As its name implies, many believed the
instrument was especially sensitive to the
coming of stormy weather. Thus, if small
stars are seen in dim liquid, expect
thunderstorms.
Barometro di FitzRoy (1885)
Le regole empiriche di FitzRoy:
“If the barometer [.. ] is steady or rising, while the thermometer
falls, and dampness becomes less, NW, N or NE wind, or less
wind, less rain or snow, may be expected”
“..if a fall takes place, with a rising thermometer and increased
dampness, wind and rain may be expected from the SE, S, or
SW”
“In winter, a fall with low thermometer, foretells snow”
THEORY PULL: LA FISICA DELL’ATMOSFERA
Approccio “baconiano” o induttivista:
Si vede la meteorologia come una branca della scienza indipendente dalla
fisica. Le leggi della meteorologia devono derivarsi per induzione dai dati
sperimentali.
Tra gli esponenti di questo approccio: Heinrich Dove (Prussia), C.H.D. BuysBallot (Olanda), Elias Loomis (USA), Napier Shaw (UK)
“It seems more than possible that the true of meteorology will never be evolved by the iteration of
marginal notes until they fill the page, and that the true course of progress is to accept Maxwell’s
hint to develop the representation of the motion to such a degree of perfection that the forces will
be deduced from it, instead of supposing that we can specify the forces and that nothing but the
method of fluxions is necessary to deduce the motion” N. Shaw, 1926
Approccio “dinamico”:
La meteorologia è fisica applicata e le sue leggi devono dedursi dalle leggi
della fisica. I dati devono essere spiegati in modo deduttivo e possono
servire per confutare o corroborare un modello fisico.
Tra gli esponenti di questo approccio: Max Margules (Austria), H. Helmholtz
(Germania), William and James Thomson (UK), William Ferrel and
Cleveland Abbe (USA)
“Hitherto, the professional meteorologist has too frequently been only an observer, a statistician, an
empiricist – rather than a mechanician, mathematician and physicist”, C. Abbe, 1890
STUDI SPERIMENTALI E TEORICI SULL’ESPANSIONE ADIABATICA
“Experimental Essays on the Constitution of mixed Gases; on the
Force of Steam or Vapour from Water and other Liquids in different
Temperatures, both in Torricellian Vacuum and air; on Evaporation;
and on the Expansion of Elastic Fluids by Heat”
Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester, Vol
V. Part II, John Dalton (1802)
“Recherches sur la dilation des gaz et des vapeurs”
Ann.Chim.Phys. 43, Louis Joseph Gay-Lussac (1802)
“Sur la vitesse du son dans l’air et dans l’eau”
Ann.Chim.Phys. 3, Pierre Simon de Laplace (1816)
“Sur la chaleur du gaz et des vapeurs”
Ann.Chim.Phys. 5, Siméon Denis Poisson (1823)
pV γ = cost.
L’ottocento e la teoria termale dei cicloni
Nella prima metà del ‘800 il concetto di calorico è ancora
radicato e non è stata ancora scoperta l’equivalenza tra
calore e lavoro
I modelli sui cicloni e le tempeste erano quindi per la maggior
parte di natura meccanica e basati solo sulle osservazioni dei
valori della pressione al suolo (caduta e risalita del barometro) e
della direzione del vento
Negli Stati Uniti, William C. Redfield e James P. Espy sviluppano
due teorie diverse sull’origine dei cicloni, sia per la metodologia
usata che per gli elementi chiamati in causa
I tre modelli sui “temporali”:
Prime applicazioni delle trasformazioni adiabatiche e della convezione termica
Europa:
Dove: “Linear two current theory” (meccanica)
Stati Uniti:
W. C. Redfield: “Centrifugal theory” (meccanica)
James P. Espy: “Centripetal theory or convective theory” (meccanica e termica)
All’epoca non era stata ancora fatta una netta distinzione tra i diversi tipi
di cicloni (per origine e dimensione): lo stesso termine “temporale” poteva
significare un uragano, tornado o ciclone di grande scala
Quello che Redfield e Espy studiarono (tornadi e urgani di medie
dimensioni) era ben diverso dai grandi cicloni delle medie latitudini tipici
del centro Europa, studiati da Dove
La controversia tra Espy e Redfield
New York, 1938
http://oiswww.eumetsat.org/WEBOPS/iotm/iotm/20051004_convection/20051004_conv
ection.html
2-4 ottobre 2005
L’ottocento e la teoria termale dei cicloni
Nei primi decenni del ‘800 il principale problema
era capire la natura dei campi di velocità dei venti
associati con i temporali
Fitzroy sosteneva le sue previsioni
aiutandosi dalle nuove teorie sulle
masse d’aria avanzate da Dove
Nella sua “La legge dei temporali” Dove
introduce il concetto di correnti polari ed
equatoriali come motori dei cicloni,
anticipando il lavoro della scuola
norvegese di Bergen sui fronti e le
masse d’aria
Heinrich Wilhelm Dove
(1803-1879)
Direttore del Preussische Metereologische Institut, Berlin (1849-1879)
Secondo Dove, i temporali risultavano dal “conflitto tra due correnti le quali si
spostano a vicenda e alternativamente sul posto dell’osservazione”.. “gli estremi
assoluti (del cambiamento del tempo) sono dovuti alla sola predominanza di una
delle due correnti”
Quindi, le letture barometriche, di umidità e di temperatura erano da attribuirsi
ai cambiamenti nella direzione del vento
L’ottocento e la teoria termale dei cicloni
Per anni lavora come fabbricante di selle e arnesi
Lavora poi nel trasporto marittimo a vapore
Esperto in fossili di pesci del Triassico
Si trova tra i fondatori (1848) e presiede la
American Association for the Advancement of Science
Dall’osservazione degli effetti dei temporali (differente
inclinazione degli alberi, o effetti distruttivi sul terreno) arriva
alla conclusione che questi sono il frutto degli effetti
rotazionali innescati dall’incontro di due masse d’aria di
direzione e velocità diverse
www.erskinestorms.com/
Analogamente a come l’acqua in un secchio ruotante lascia
un vuoto al centro, Redfield interpreta l’abbassamento di
pressione all’interno del ciclone come un effetto della forza
centrifuga del vento: la pressione è quindi una conseguenza
del campo di velocità del vento
William C. Redfield
(1789-1857)
L’ottocento e la teoria termale dei cicloni
Espy o la teoria convettiva dei cicloni
Oltre che alle variazioni di pressione e della direzione e
intensità del vento, Espy inizia a studiare gli effetti del
calore nell’espansione di una particella d’aria, seguendo i
lavori di Dalton sulle leggi dei vapori
“..namely that the quantity of vapor in weight, existing at any
time in a given space, could be determined by great accuracy
in few minutes, by means of a thermometer and a tumble of
water cold enough to condense on its outside a portion of the
vapor in the air” Espy recalling Dalton’s “Meteorological
James P. Espy (1785-1860)
Observations and Essays” (1793)
Utilizza il nefeloscopio o “cloud examiner” per capire il ruolo del vapore acqueo
nel bilancio termico di una massa d’aria
“.. As soon as cloud begins to form, the caloric of elasticity of the vapor or steam is
given out into the air in contact with little particles of water formed by the
condensation of the vapor. This will prevent the air, in its further progress upwards,
from cooling so fast as it did up to that point ..” Espy, Philosophy of Storms, 1841
Mette in correlazione il raffreddamento adiabatico e la convezione termica
Edmund Halley (1686): usa la convezione termale per spiegare i “trade winds”
“An historical account of the trade winds and monsoons” Trans. Roy. Soc. 16 (1686)
George Hadley (1735): considera la componente est-ovest della forza deviante
dovuta alla rotazione della Terra
“Concerning the cause of the general trade winds” Trans. Roy. Soc. 39 (1735)
Già nel 1701 Halley aveva
introdotto l’uso delle
mappe isogoniche (linee
collegando posizioni
geografiche con la stessa
inclinazione magnetica)
nel suo tentativo di
studiare il magnetismo
terrestre
DATA PUSH: la raccolta e la sistematizzazione dei dati
Joseph Henry (1797-1878)
Negli anni 1820-30 lavora nei fenomeni elettromagnetici,
alla stregua di Faraday e Wheatstone
L’unità di misura dell’induttanza porta il suo nome
Nel 1846 diventa il primo segretario della Smithsonian
Institution
Si impegna attivamente nello sviluppo di una rete
nazionale di osservazione e raccolta dati meteorologici, e
di comunicazione telegrafica, mirata a sviluppare il
carattere scientifico di questa impresa, seguendo
l’impulso di Loomis e Espy
Nel 1850, una mappa degli USA con certe previsioni
delle condizioni meteorologiche era giornalieramente
esposta nell’ingresso della Smithsonian Institution
Nel 1871 il governo USA crea un servizio meteorologico
nazionale
La mappa sinottica
Loomis studia sinottica e statisticamente lo sviluppo dei
cicloni di medie latitudini durante diverse decadi
I suoi studi aiutano a consolidare la teoria termale dei
cicloni
Negli anni ‘40 del ‘800 usa un metodo “baconiano”:
Raccolta di osservazioni, dati e esperimenti e la loro
sistemazione usando un metodo induttivo, classifica di eventi e
analisi comparativa
“Being well convinced that meteorology is to be promoted, not so
much by taking the mean of long continued observations, as by
studying the phenomena of particular storms developed over a widely
extended country, I resolve to select some single storm of strongly
marked characteristics, and trace its progress as extensively and
minutely as possible”
“On the storm which was experienced throughout the US
about the 20° December, 1836” E. Loomis, Trans. Am. Phil.
Soc. 7 (1841)
Elias Loomis(1811-1889)
“When a hot and cold current, moving in opposite directions, meet, the colder, having the
greater specific gravity, will displace the warmer, which is thus suddenly lifted from the
surface of the earth, is cooled and part of its vapor is precipitated”
La mappa sinottica
Con l’accumularsi di un gran numero di dati su
regioni sempre più ampie, si rende necessario
classificare e rappresentare i dati in modo utile
alla loro analisi
Loomis crea delle mappe dove si mette in
evidenza le deviazioni della pressione rispetto al
valore normale (non le linee di minima
pressione), linee di uguale differenza di
temperatura, venti e precipitazione
Elias Loomis(1811-1889)
“..although a fall in the barometer is usually accompanied by an elevation of
temperature, the reverse is sometimes the case”
Baconismo: -one exception is sufficient to refute an hypothesis- “errors are imported from words, and in science names must signify things”necessità della classificazione e dell’organizzazione dei dati
Loomis chiude la disputa tra Espy e Redfield: il movimento dei cicloni è
un misto di convergenza e rotazione dove giocano un ruolo, non solo le
forze legate ai gradienti di pressione ma anche la rotazione della Terra
La fisica al servizio della meteorologia:
prime applicazioni del primo principio della termodinamica
William Thomson, Lord Kelvin
(1824-1907)
Lavorando indipendentemente
formulano le equazioni della
espansione adiabatica dell’aria
secca e umida. Reye (1868) e
Peslin (1868) formulano dei criteri di
stabilità dell’atmosfera con
riferimento allo spostamento
verticale delle masse d’aria,
necessari per stabilire le condizioni
per la convezione e del suo ruolo
nello sviluppo di cicloni e della
circolazione atmosferica
“On the convective equilibrium of temperature in the
atmosphere”, W. Thomson, 1862, Memoirs of the
Manchester Literary and Philosophical Society
H. Peslin (Francia)
Tra il 1868 e il 1875 pubblica tre lavori
cruciali in meteorologia
Sia Peslin che Reye applicano il cosiddetto
“metodo della particella” e cioè,
l’assunzione che la massa d’aria che si
sposta non si mescola con l’aria circostante
Theodor Reye (1838-1919)
Reye applica la teoria cinetica dei gas per
dimostrare che le anomalie riscontrate da V.
Regnault (1810-1878) nei suoi esperimenti
sulla legge di Boyle sono consistenti con la
suddetta teoria e fornendo ulteriore supporto
alle teorie avanzate da Clausius riguardo la
natura atomica della materia. Scrive un
lavoro: Die Ausdehnung der
atmosphärischen Luft bei der Wolkenbildung
(1865) in cui applica la teoria cinetica dei
gas alla espansione adiabatica e alla
formazione delle nuvole. E’ una delle prime
applicazioni di questa teoria alla
meteorologia
Stevenson’s screen
I lavori di Peslin sulla meteorologia
« Sur les mouvements généraux
de l’atmosphère », en 1868 ;
« Sur la relation entre les variations du
baromètre et les courants atmosphériques »,
en 1872 ;
« Sur la loi des variations diurnes et annuelles
de la température dans le sol », en 1875 ; et
une série de cinq commentaires
tous nommés « Théorie des
tempêtes. Réponse à M. Faye », en 1875.
L’observatoire du pic du Midi,
Peslin fa parte della commissione per la
sua costruzione nel 1873
Introduce, senza nominarli, il vento
geostrofico e il vento di gradiente, due
concetti fondamentali della
meteorologia
« Sur la relation entre les variations du
baromètre et les courants
atmosphériques », Peslin, 1872
Calcoli (fisici) al servizio della meteorologia
Nel 1870 William Thomson mostra che le tabelle con i dati della pressione di
vapore erano in errore se applicati alle gocce di pioggia: queste dovrebbero
evaporare più facilmente anche per valori pari al 100% di umidità relativa. Nel
1921 Koehler spiega la discrepanza come una conseguenza della presenza di
sale nelle gocce, che abassa la pressione di vapore dell’acqua
Nel 1888 Helmholtz fa un calcolo per calcolare la velocità acquisita da un vortice
d’aria, il cui asse è allineato con quello terrestre, nello spostarsi dall’equatore
verso nord o verso sud; questa risulta eccessiva rispetto alle normali velocità del
vento; nè la viscosità, nè la conduttività termica sono sufficienti per dar conto di
questa riduzione. Helmholtz conclude che “il mescolamento di strati d’aria a velocità
diversa, per mezzo di vortici” deve essere la causa, ovvero, la turbolenza
Joseph Mallory William Turner (1775-1851)
The blue Rigi 1842
The dark Rigi 1842
The Red Rigi 1842
The Rigi 1844
“On one day of the first half of September this year
Mount Rigi offered a clear prespective toward
Jura. At a height somewhat lower than the viewing
point – the Rigi’s Känzli- there was the quite
regular, upper horizontal limit of a heavier and
more turbid air layer; this limit was indicated by a
thin layer of small clouds which went from North
to South in narrow stripes, and which revealed the
whirls formed by perturbation and rolling up of the
limiting surface” Helmholtz descrivendo la
formazione di una superficie di vorticità (vortex
sheet) messa in evidenza dalle nuvole
Il monte Rigi (1797 m) Svizzera
“The rebellious and absolutely unscientific demon of chance” is at work
Instabilità di Kelvin-Helmholtz
Il vento di foehn
©Eumetsat
L’ottocento e la teoria termale dei cicloni:
Helmholtz e Ferrel
Hermann von Helmholtz
(1821-1894)
William Ferrel
(1817-1891)
Studio dei moti turbolenti: superfici di discontinuità
Il concetto di circolazione
atmosferico-oceanica:
Primi passi della meteorologia
dinamica, ovvero le leggi della
fisica applicate all’atmosfera;
fondatore della fluidodinamica
geofisica (interazione oceaniatmosfera)
“The Motions of Fluids and Solids Relative to the
Earth’s surface” Runkles Mathematical Weekly,
1859-60
Il suo trattato sui moti vorticosi rappresenta la base storica dello
studio dei fenomeni turbolenti
“On integrals of the hydrodynamic equations which correspond to
vortex motions,” Journal für reine und angew. Mathematik, 1858
Hermann von Helmholtz
(1821-1894)
Da una spiegazione termodinamica
del vento di foehn, applicando con
successo la termodinamica ad un
vecchio problema meteorologico
Nella seconda metà dell’ottocento,
altri scienziati (Thomson, Reye,
Tyndall, Peslin) avrebbero applicato
le leggi della termodinamica per
spiegare fenomeni atmosferici come
la convezione e la formazione delle
nuvole
“The principal obstacle to the circulation of our
atmosphere, which prevents the development of far
more violent winds than are actually experienced,
is to be found not so much in the friction on the
Earth’s surface as in the mixing of differently
moving strata of air by means of whirls that
originate in the rolling up of surfaces of
discontinuity. In the interior of such whirls the
originally separate strata of air are wound in
continually more numerous and therefore thinner
layes spiraling about each other; the enormously
extended surfaces of contact allow a more rapid
exchange of temperature and the equalization of
their movement by friction”
Eventi storici segnati dal tempo
La nascita delle mappe sinottiche e dei servizi meteorologici nazionali
Il telegrafo e le mappe del tempo
La guerra di Crimea (1853-56)
Sviluppo di una rete internazionale di servizi meteorologici
USA:
Lieut. Maury, Naval Observatory (1844)
Promuove la 1° Conferenza Internazionale delle Nazioni Marittime (1853)
Joseph Henry, Direttore del Smithsonian Institute (1846)
Rete telegrafica per la trasmissione di osservazioni giornaliere
Olanda:
A.C. Buys Ballot, Direttore del Nederlandsch Meteorologisch Instituut
Bolletini pubblici del tempo (1859) e dei temporali (1860)
Scopre la legge che porta il suo nome sulla direzione del vento in funzione
della posizione dei centri di alta e bassa pressione: legge di Buys-Ballot
(1857), mettendo in collegamento direzione e velocità del vento con i
gradienti di pressione
United Kingdom:
Nel 1845, Admiral R. FitzRoy diventa capo del British Meteorological
Department, stabilito dal Board of Trade
Francia:
Urbain Jean Joseph Leverrier, direttore dell’osservatorio di Parigi, viene
incaricato della creazione di un servizio di previsione dei temporali, 1854
LA PREVISIONE DEL TEMPO: ARTE, NON SCIENZA
Nonostante la popolazione chiedesse di avere le previsioni del tempo, e
molte vite fossero state salvate grazie agli sforzi per prevenire temporali,
particolarmente nelle coste inglesi e scozzesi, i “meteorologi” sono visti
dai “savants” (la Royal Society e l’Académie du Sciences) come dilettanti;
le loro idee vengono considerate senza alcun fondamento scientifico, in
quanto non potevano essere ricondotte a una visione meccanicista del
mondo
La previsione viene vista come un’arte e non come una scienza, in parte
dovuto al fatto che era fatta in modo prevalentemente empirico, analizzando
i dati giorno per giorno, anno dopo anno, da persone con lunga sperienza
ma con poca formazione scientifica, e in modo molto soggettivo
Tra il 1870 e il 1920, nonostante gli sforzi per studiare l’atmosfera, e la
attenzione ad essa dedicata da matematici, ingegneri e fisici, la
previsione non viene “toccata” nelle sue modalità di azione
Questa realtà fu cambiata radicalmente da Vilhelm Bjerknes e dalla
“scuola di Bergen”. Per la prima volta, i scienziati (theory push)
diventano anche previsori (prediction push) e si da un peso
importante sia ai modelli dinamici, basati sulla fluidodinamica e la
termodinamica, che ai dati e la loro interpretazione (data push)
La “praxis” del previsore
Un esempio di regola empirica: “If we take the area from Valencia to Helder, and
from Nairn to Rocherfort, we find that whenever the difference of barometrical
readings between any two stations is 0,6 inches on any morning, the chance is 7:3
that there will be a storm before next morning.. somewhere within the area covered
by our netwrok stations”
“...the compilers of observations and maps were profoundly conscious that the
experiments and theories of the physical laboratories offered no real explanation
even of the broadest features of the distribution of pressure and temperature, and
that to plunge into the study of minute details, mathematical and physical, when the
outlines were an unsolved riddle was equally a waste of time and energy. So there
came about a sharp division, physicists on the one side, regrading the efforts of the
observers and map-makers as quite unscientific and sometimes suggesting that
competetent mathematicians should be invited to take the matter up; and
meteorologists on the other side, equally firmly convinced that to invite the
mathematicians to solve a problem which they could not specify was the same sort
of mistake as inviting Newton to solve the problem of the solar system without the
previous assistance of Kepler’s laws.”N. Shaw, 1926
“The past decade has seen important memoirs on fundamental questions from the
hands of our ablest mathematical physicists; those of Helmholtz and William Thomson
on vortex motions and stationary waves;... of Hertz, on adiabatic motions ...; of
Buchan, Hann and Rayleigh on diurnal barometric fluctuations; of E. Poincarè on
lunar tides in the atmosphere”
“..(man) he may experiment with earth and water and air, but not
with the earth, the ocean and the atmosphere; these he may only
study and understand so as to adapt himself to them. The
establishment of observatories,laboratories, schools and other
institutions for the promotion of terrestrial will directly contribute
to the advance of civilization by just so far as they contribute to an
increased knowledge of the environment of the human race”
“A plea for terrestrial physics”, American Association for the
Advancement of Science
Proceedings, 39 (1890) 55-79
Cleveland Abbe (1838-1916)
“Old probabilities”
“As we survey the progress in this department of knowledge, we can
discern three collateral aspects: first, the preservation of the
memory of the events of past weather and their sequence...; second,
speculations upon the relations of those events and upon their
proximate and ultimate causes...; and, thirdly, the endeavours to use
existing knowledge for the anticipation of future weather... To-day
we recognise the corresponding division of labour in modified forms
as between the observer..., the natural philosopher..., and the
practical meteorologist...”
William Napier Shaw, 1926
La crisi del determinismo classico
“Con la sua (di Eulero) scoperta tutta la meccanica dei fluidi è
stata ridotta ad una questione di sola analisi e, se le equazioni si
proveranno mai integrabili, le caratteristiche del flusso, e il
comportamento del fluido sotto l’azione delle forze, sarà
determinato per ogni circostanza” Lagrange, 1788
“The only natural phenomena that we can pre-calculate and understand
in all their observable details, are those for which small errors in the input
of the calculation bring only small errors in the final result. As soon as
unstable equilibrium interferes, this condition is no longer met. Hence chance
still exists in our [predictive] horizon; but in reality chance only is a way of
expressing the defective character of our knowledge and the “roughness of
our combining power”
Hermann Helmholtz (1875)
“The problems of meteorology are important and difficult enough to excite
the ambition of the ablest of men; by their help, we shall yet make great
progress in the prediction, not only of daily weather, but of extensive
climatic changes, droughts and floods, months in advance; eventually we
shall be able to state what climates must have obtained in the geological
ages” Cleveland Abbe, “A plea for terrestrial physics”, 1890
La matematica e la fisica al servizio della meteorologia:
Espy
effetto del calore nell’espansione dell’aria:
“a lever with which the meteorologist will move the world”
Vilhelm Bjerkness
Fusione tra termodinamica e fluidodinamica:
“to calculate future states of the atmosphere by means of the hydrodynamic and thermodynamic
equations”
Il teorema della circolazione: la atmosfera baroclina o barotropica
“I teoremi della conservazione della vorticità (Helmholtz) e della circolazione (Kelvin) allow us
indeed to predict certain peculiarities of the atmospheric vortices and circulations, but the
fundamental question of the first formation of such movements, as is well known, is not at all
touched by this theory”
William Thomson, Reye e Peslin
Primo principio della termodinamica: l’energia per mantenere un ciclone
“The main reason why older views on the development and maintenance of whirlstorms do not
satisfy us is that they do not provide a sufficient explanation of the enormous mechanical power
exhibited in these storms”, Reye
Lewis F. Richardson
Risolvere equazioni differenziali in maniera aprossimata
John Von Neumann
Dimostrare l’utilità del calcolatore numerico
La scuola di Bergen
Halvor Solberg
Sverre Petterssen
Wilhelm Bjerknes
Tor Bergeron
Jacob Bjerknes
La scuola di Bergen
La scuola di Bergen
Tor Bergeron
Sverre Peterssen
Halvor Solberg
Gustav Rossby
Wilhem Bjerknes (1862-1951)
Jacob Bjerknes (1897-1975)
Sviluppano nuovi modelli della circolazione atmosferica a grande scala
Uniscono la fluidodinamica (linee di convergenza dei venti e superfici di
discontinuità tra masse d’aria diverse) e la termodinamica nello studio dei modelli
atmosferici e nell’elaborazione delle equazioni numeriche
Estendono il teorema di Helmholtz sulla circolazione a un fluido reale (viscoso)
Uniscono scienziati e previsori in un lavoro comune
Sviluppano la teoria dei cicloni e del fronte polare
Spiegano “El Niño” (ENSO: El Niño Southern Oscillation)
Sir Gilbert Walker (1868-1958): the Southern Oscillation, 1904
Correlazione tra alte e basse pressioni in superficie a estremi opposti del
Pacifico: pioniere dell’analisi statistica e dello studio a scala globale dei
fenomeni atmosferici
Halvor Solberg
(1895-1974)
Il fronte polare e l’analisi delle
masse d’aria
Descrizione del processo, oggi
chiamato Bergeron-Findeisen,
della formazione della neve
La teoria dei cicloni
I fronti freddi, caldi e occlusi
Tor Bergeron (1891-1977)
Jacob Bjerkness (1897-1975)
Lavorano nel paradigma della
fisica classica, in un periodo
considerato da V. Bjerknes di
“crisi scientifica”
Carl Anton Bjerkness (1825-1903)
Prof. di matematica pura e applicata
all’Università Royal Frederik di Christiana
Dedica tutti i suoi sforzi a sfruttare le
analogie idrodinamiche per dimostrare la
azione delle forze elettromagnetiche
attraverso un mezzo fluido: l’etere
Vilhem Bjerknes (1862-1951)
Per anni aiuta suo padre
nel proseguimento delle
sue ricerche
Collaboratore di Hertz
Stabilisce un nuovo
teorema sulla circolazione
per un fluido reale (viscoso)
(1897) che trova presto
applicazione nell’atmosfera
THEORY E DATA PUSH
“.. a mighty problem looms before us and we can no longer
disregard it. We must apply the equations of theoretical
physics not to ideal cases only, but to the actual existing
atmospheric conditions as they are revealed by the modern
observation. These equations contain the laws according to
which subsequent atmospheric conditions develop from those
that precede them. It is for us to discover a method of
practically utilizing the knowledge contained in the
equations.”
Vilhelm Bjerkness, 1914
“The endeavour underlying all the work of the Bergen school was
to minimize the previous unnecessarely great subjectivity of
forecasting by trying to arrive at explicit and physically
explainable rules for the displacement and development of welldefined weather systems”
Tor Bergeron, 1959
La scuola di Bergen
Life cycle of cyclones and the polar front theory of atmospheric circulation
J. Bjerknes and H. Solberg, 1922
I primi tentativi per “calcolare” il tempo
Studia fisica, chimica, zoologia, botanica e geologia
Svolge svariati lavori (asistente di matematica e fisica,
ricercatore in metallurgia, meteorologia, e metrologia)
In molti di questi lavori a modo di cercare soluzioni
aprossimate di equazioni differenziali
Nel 1909 sposa la figlia dell’asistente-dimostratore di
Maxwell nel Canvendish Laboratory, Dorothy Garnett, la
quale spesso porta a termine calcoli per lui
Quakero, fa obbiezione di coscienza durante la Grande
Guerra e dal 1916 al 1919 guida un’ambulanza nelle file
dell’esercito francese
Nel 1922 pubblica il suo libro: Weather prediction by
Lewis F. Richardson (1881-1953)
numerical process
Dopo la guerra lavora per il Met Office ma si dimette nel
1920 quando questo entra a far parte del Air Ministry
Dedica le sue ultime ricerche allo studio quantitativo dello
sviluppo di conflitti bellici
“The scheme is complicated because the atmosphere is complicated. But it
has been reduced to a set of computing forms”
Lewis F. Richardson, 1922
“For a purpose such as numerical prediction by finite differences,
meteorological observations are useless if they are not very complete” DATA PUSH
Richardson, 1923
20 maggio 1910 “International Balloon Day”
(contributo importante di V. Bjerkness nella raccolta dati)
1890’s: Runge e Kutta cercano le soluzioni di equazioni differenziali
sostituendo le derivate per differenze finite
Il vantaggio è la risoluzione aritmetica del problema
Lo svantaggio è che la soluzione è solo aprossimata
atmosphere data:
Vx, Vy, Vz, p, T, ρ, q
simplificazioni
7 equazioni e 7 variabili
Confronto con le
osservazioni
output
II legge della dinamica (3 eq.)
Equazione di continuità
Equazionedi continuità per il vapore
acqueo
Primo principio
Equazione dei gas
Lewis F. Richardson (1881-1953)
Inventa un fotometro di contrasto per misurare il contenuto di vapore acqueo
nelle nuvole
Measurement of water in clouds
Proc. R. Soc. Lond. A 1919 96, 19-31
Idea un metodo per misurare la velocità del vento ad alte quote nell’atmosfera
Theory of the Measurement of Wind by Shooting Spheres
Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 1923 223, 345-382
La invarianza scalare della turbolenza
“The Vermin only teaze and pinch
Their foes superior by an Inch.
So, Nat’ralists observe, a Flea
Hath smaller Fleas that on him prey;
And those have smaller Fleas to bite ‘em
And so proceed ad infinitum.
Thus every Poet, in his kind,
Is bit by him that comes behind:
Who, tho’ little to be seen,
Can teaze, and gall, and give the Spleen;
Da “On Poetry: a Rhapsody” di Johnnathan Swift , 1733
“Big whirls have little whirls that
feed on their velocity,
And little whirls have lesser whirls
and so on to viscosityin the molecular sense.
And the big whirls of bigger ones
partake in the rotation,
Until at last we reach the
gen’ral circulationin the global sense.”
Lewis F. Richardson sulla turbolenza
Richardson diede un contributo
fondamentale alla comprensione della
diffusione in flussi turbolenti e introdusse
il concepto di dimensione frazionaria che
sarebbe poi approfondito da Mandelbrot
nella teoria dei frattali
Richardson’s “parallel computer”
“Imagine a large hall like a theatre ... The walls of this chamber are
painted to form a map of the globe... A myriad computers are at work
upon the weather of the map where each sits,...The work of each region is
coordinated by an official of higher rank. Numerous little “night signs”
display the instantaneous values so that neighbouring computers can read
them...From the floor of the pit a tall pillar rises... In this sits the man in
charge of the whole theatre... One of his duties is to maintain a uniform
speed of progress in all parts of the globe”
Richardson, “Weather prediction by numerical processess”
“Perhaps some day in the dim future it will be possible to advance
computations faster than the weather advances and at a cost less
than the saving to mankind due to information gained. But that is a
dream”
Richardson, 1922
Operation “Overlord”
Predicting the weather for the D-day
Sverre Peterssen (1898-1974)
Il “Norge”
Disegnato e costruito da Umberto Nobile
per la traversata sul Polo Nord compiuta da
Amundsen nel 1926. Peterssen
contribuisce alle previsioni meteo di alcuni
voli del Norge
“Weathering the storm”, la sua
autobiografia, scritta poco
prima della sua morte, mette a
fuoco la storia della previsione
per il D-day la quale è stata
oggetto di dibattito per molti
anni
Operation “Overlord”
Europa il giorno precedente al D-day
1
Sverre Peterssen (1898-1974)
2
Alta pressione delle Azzorre
6 giugno 1944
Zona “libera” tra il passaggio dei due cicloni (1 e
2); lo sbarco avvenne proprio in questo breve
intervallo di tempo, dopo che il ciclone 1 era già
oltre le coste della Normandia e non era ancora
arrivato il ciclone 2.
I servizi meteorologici americani sostenevano che
l’alta pressione delle Azzorre avrebbe permesso
lo sbarco il 05/06, mentre i membri del gruppo di
Bergen che lavoravano per gli alleati con il
MetOffice a Londra, avevano previsto l’arrivo del
ciclone 1 il 05/06, usando i nuovi metodi di analisi
dei fronti e delle masse d’aria. Eisenhower
ascoltò loro e decise di fermare lo sbarco fino al
06/06. Paradossalmente il successo della
previsione e quindi dello stesso sbarco venne
attribuito per molto tempo al team americano
Carl Gustav Rossby (1898-1957)
Studente e collaboratore di Vilhelm Bjerkness
Nel 1927 viene messo a capo del Interdepartmental
Committee on Aeronautical Meteorology (USA)
Nel 1928 diventa professore di meteorologia al MIT
Lindbergh chiede a Rossby di fare la previsione per il suo
volo non-stop tra Washington DC e Mexico City: “the best
weather forecast I ever received” C. Lindbergh
La sua collaborazione con F. Reichelderfer (Naval
Aerology) permetterà di portare alla modernizzazione il
Weather Bureau negli USA
Uno dei fondatori della meteorologia dinamica
Promuove i primi corsi di meteorologia nelle università
americane
Porta la teoria del fronte polare negli USA
Spiega la circolazione atmosferica con movimenti
ondulatori “planetari”, le cosiddette onde di Rossby
Definisce e interpreta il “jet stream”
Incoraggia Von Neumann ad applicare il calcolo
numerico alla previsione del tempo (NWP)
È tra i primi a capire il problema della polluzione
atmosferica
Onde di Rossby
The Meteorology program at Caltech
Theodore Von Kármán (1881-1963)
Irving Krick (1906-1996) the “rain maker”
La meteorologia al “servizio” dell’industria:
Hollywood e la Edison Electric
Il disastro del Akron
La tesi di dottorato di I. Krick al Caltech
riguardava, in parte, la spiegazione della
situazione meteorologica che portò al
tragico incidente del Akron
Il programma di meteorologia del Caltech viene
terminato nel1948, dopo 15 anni dal suo inizio, lo
stesso anno che R. Millikan lascia la direzione
dell’Istituto.
Nel 1958 Krick viene radiato dalla American
Meteorological Society per violazione dei codici etici
“Perhaps some day in the dim future it will be possible to advance the computations
faster than the weather advances and at a cost less than the saving to mankind due
to the information gained”, Lewis Fry Richardson, 1920
Problemi da risolvere:
Trovare un algoritmo che, bassandosi su delle leggi
fisiche e delle osservazioni, possa fare una
previsione più accurata di quella di un previsore
“umano”
Che il tempo di calcolo sia tale da permettere la
previsione del tempo in tempo effettivo (prima che
questo sia già avvenuto) e con un costo ragionevole
I due “programmi di ricerca” per la previsione a lungo termine
Approccio usando le leggi fisiche; richiede:
1) Capacità di specificare lo stato attuale dell’atmosfera
2) Conoscenza delle leggi fisiche che governano l’atmosfera
3) Metodi di calcolo per dedurre dallo stato presente, quello futuro,
sfruttando queste leggi
Per gli “empiristi” (J. Hann, N. Shaw) i punti 1) e 2) erano i più importanti, e
solo con la progressione e analisi di 1) si può raggiungere 2)
Per i “teorici” (V. Bjerknes, V Neumann, Richardson) è il punto 3) a
determinare lo sviluppo di previsioni scientifiche
Approccio cosiddetto “storico”; richiede:
1) Capacità di specificare lo stato attuale dell’atmosfera
2) Un vasto archivio di stati passati dell’atmosfera
3) Capacità di trovare negli archivi lo stato passato più simile a quello presente
E’ l’approccio usato da Krick e il gruppo di CalTech verso la fine dell’esistenza del
programma di meteorologia
Verso la strada: “scienza, non arte”
John Von Neumann
(Budapest,1903-Washington D.C.-1957)
Membro permanente del Institute for Advanced
Study, Princeton, 1933
Contributi a:
Logica, teoria della misura, spazi di Hilbert, gruppi di
Lie
Inventa la teoria dei giochi
Assiomatizza la Meccanica Quantistica: il
formalismo da lui introdotto, tra il 1927 e il 1932 è
ancora in uso
Partecipa al Manhattan Project
Nel dopoguerra viene incaricato del Meteorology
Project
Sviluppa all’Università di Chicago il Institute of
Meteorology
Nel 1948 Jules Charney viene incaricato da Von
Neumann come responsabile, per la parte di
meteorologia, del Electronic Computer Project
Charney da un impulso decisivo alla applicazioni dei
nuovi calcolatori per la previsione numerica
Theory push
Collegare i modelli teorici alle osservazioni
the geostrophic approximation “ could be used to reduce the
equations of motion to a single dynamically consistent equation in which
pressure appears as the sole dependent variable” J. Charney, 1951
R. Courant, K. Friedrichs, H. Lewy:
“Über die partiellen Differenzengleichungen der matematischen
Physik”, Matematische Annalen 100(1) 32-74, 1928
Jules Charney (1917-1981)
Condizione CFL di convergenza della soluzione approssimata di
equazioni differenziali per differenze finite. Se non si rispettano
certi limiti nell’integrazione numerica, la soluzione diventa
instabile.
Gli algoritmi usati da Richardson non rispettavano la condizione
CFL
“The philosophy guiding the approach to this problem has been to construct a
hierarchy of atmospheric models of increasing complexity, the features of each
successive model being determined by an analysis of the shortcomings of the
previous model” J. Charney, 1952
Verso la strada: “scienza, non arte”
“For the first time the meteorologist possesses a mathematical apparatus capable of dealing with the large
number of parameters required for determining the state of the atmosphere and of solving the nonlinear
equations governing its motion. Earlier, for want of such an apparatus, both the forecaster and the
investigator were forced to content themselves with such highly oversimplified descriptions or models of the
atmosphere that forecasting remained largely a matter of extrapolation and memory, and dynamical
meteorology a field in which belief in a theory was often more a matter of faith than of experience” J. Charney
La scoperta del caos
“We ought then to view the present state of the universe as the effect of its prior state and as
the cause of the one that will follow. An intelligence which at a given instant knew all the
forces by which nature is animated and the respective situation of the things of which nature
is composed, and if in addition the intelligence were vast enough to submit this givens to
analysis, it would encompass in the same formula the movements of the lasgest bodies in the
universe and those of the lightest atom; nothing for it would be uncertain, and the future, like
the past, would be presented to its eyes” Pierre Simon de Laplace, 1814
Nel 1961 Lorenz, lavorando al MIT, calcola numericamente il
comportamento dell’atmosfera per lunghi periodi di tempo (mesi)
Attrattori di Lorenz
Lorenz E.N. 1963: Deterministic nonperiodic flow
Journal of the Atmospheric Sciences 20, 130-141
Nel 1954..
It would be iddle to pretend that meteorology, although it uses the language of physics
and mathematics, has yet acquired the status of an exact science in all its branches. To
take an obvious example, routine weather forecasting from the synoptic chart as yet
involves very little actual calculation, and the reasoning with which the forecaster
judges future developments is qualitative rather than quantitative , although it is
essentially rooted in physics.
The central problem of meteorology is that of forecasting weather. Attempts to bring this
within the discipline of mathematics have been, in the main, by the study of “model”
atmospheric disturbances, by statistics, and by the equations of hydrodynamics.
The fact that a weather forecast is essentially a statement of chances is not fully
appreciated by the non-meteorologist, and some of the distrust with which the forecasts
are regarded can be attributed to this misunderstanding.
The task of the meterologist does not finish with the composition of the forecast – there
is still the very important problem of conveying the results of the analysis to the public
in simple and straightforward terms; and this part of the problem is almost as
important as the examination of the physical processes at work
The development of meteorology as an exact science, O.G. Sutton, Nature, 1954
Nuove tecnologie in aiuto della meteorologia e della previsione
Il radar: studi sulle nuvole, la precipitazione, grandine e modelli sui temporali
I satelliti:
Dopo il lancio dello Sputnik I nel 1957,
nel 1960 gli USA mettono in orbita il
primo satellite dedicato a osservazioni
meteorologiche, il TIROS I (Television
Infrared Observation Satellite)
Com’è la meteorologia oggi?
European Centre for Medium-Range Weather Forecasts
http://www.ecmwf.int/
Eumetsat: Monitoring weather and climate from space
http://oiswww.eumetsat.org/IPPS/html/MSG/IMAGERY/VIS006/BW/
MetOffice: the meteorological Office (UK)
http://www.metoffice.gov.uk/
NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration
http://www.noaa.gov/
Numerical Weather Prediction (NWP): ensemble
Modelli dinamici
Predicibilità
Tempo e clima
Comunicare “il tempo”
Tempo e economia
Articoli di storia della meteorologia:
http://meteohistory.org/?page_id=46
Bibliografia
Calculating the weather: Meteorology in the XX century
Frederik Nebeker
The thermal theory of cyclones: a history of meteorological thought in the XIX
century
Gisela Kutzbach
Appropriating the weather: Vilhelm Bjerknes and the construction of a
modern meteorology
Robert Marc Friedman
Libri divulgativi:
The invention of clouds: how an amateur meteorologist forged the language
of the skies
Richard Hamblyn
Storm watchers: the turbulent history of weather prediction from Franklin’s
kite to El Niño
John D. Cox
HAMLET: Do you see yonder cloud that’s almost in shape of a
camel?
POLONIUS: By the mass, and ’tis like a camel indeed.
HAMLET: Methinks it is like a weasel
POLONIUS: It is backed like a weasel
HAMLET: Or like a whale
POLONIUS: Very like a whale
Hamlet, William Shakespeare (1564-1616)
Fotografie delle nuvole: T. López-Arias