Tutti coloro che hanno almeno un minimo interesse per la meteorologia avranno sicuramente già sentito parlare della forza di Coriolis, che deve il suo nome allo scienziato francese del XIX secolo che per primo riuscì a descriverla matematicamente. In questo articolo andiamo ad approfondire il meccanismo di questa forza apparente e il suo impatto sulla circolazione generale dell'atmosfera.
L'immagine soprastante mostra una depressione centrata al largo dell'Islanda. Le nubi "risucchiate" verso il minimo di bassa pressione ruotano in senso antiorario attorno ad esso per effetto della deviazione verso destra delle correnti per effetto della forza di Coriolis.
Nell'emisfero australe, invece, i venti sono deviati a sinistra. Di conseguenza, il senso di rotazione di questo sistema di bassa pressione al largo delle coste del Cile (immagine soprastante) è in senso orario. La forza all'origine di questa deviazione è la forza di Coriolis.
Come già descritto in alcuni nostri contributi, il vento non è altro che una reazione dell'atmosfera a una differenza di pressione (nota come gradiente) tra due punti, che fa sì che un pacchetto d'aria si sposti in modo diretto dall'alta alla bassa presione.
Ciò indurrebbe a pensare che quando si forma un'area di bassa pressione, essa venga rapidamente colmata con l'aria che affluisce delle vicine aree di alta pressione. Ma di fatto non è così!
A differenza di un pallone che scende in linea retta lungo il pendio di una collina (rispondendo a un altro gradiente questa volta però non di pressione bensì noto come "energia potenziale"), i venti ruotano attorno a un'area di bassa pressione perpendicolarmente al suo raggio (almeno in teoria).
Ma per quale ragione l'aria non affluisce in modo diretto dall'alta alla bassa pressione? La causa è la forza di Coriolis, che devia i venti verso destra nell'emisfero boreale e verso sinistra nell'emisfero australe.
Per comprendere meglio la natura di questa "forza", vi proponiamo un semplice esperimento: sedetevi alla vostra scrivania, prendete un foglio A4 e una penna. Tracciate ora una linea sul foglio, partendo dal fondo della pagina e puntando verso un punto fisso di fronte a voi dall'altro lato del tavolo (una sedia, per esempio); come potrete vedere, sul vostro foglio avete appena tracciato una linea retta.
Ripetete ora lo stesso esperimento (sempre puntando verso la sedia di fronte a voi), ma mentre tracciate la linea ruotate il foglio in senso antiorario. Così facendo non otterrete una linea retta, bensì una linea curva verso destra, malgrado abbiate puntato verso lo stesso punto di prima (la sedia).
Questo esperimento mostra come la traiettoria seguita dalla punta della penna sia diversa a dipendenza del punto di vista (sistema di riferimento) da cui essa viene osservata (sistema di riferimento): la traiettoria risulta rettilinea per un osservatore esterno al foglio (voi in questo caso), curvilinea invece per un osservatore che si trova sul foglio.
Poiché in fisica dietro ogni traiettoria curva deve esistere una forza che la genera, per poter descrivere matematicamente ciò che avviene in presenza di sistemi che ruotano, è stato introdotto il concetto di “forza di Coriolis”. Che in realtà non è una vera forza come quella che si sviluppa fra due oggetti (ad esempio come la forza di gravità fra la Terra e un sasso, oppure come la forza elettrica fra due oggetti carichi elettricamente). Proprio per questo motivo la forza di Coriolis viene chiamata una “forza apparente”.
Sulla Terra, che è un sistema in rotazione, la forza di Coriolis agisce in modo analogo all'esperimento appena descritto su un pacchetto d'aria che si sposta in linea retta, ad esempio dall'equatore verso il Polo Nord. Se per un osservatore esterno alla Terra, magari "sospeso" sopra il Polo Nord, la traiettoria appare rettilinea, per un osservatore che si trova sulla Terra essa sarà curva verso destra.
La forza di Coriolis agisce su tutto ciò che sulla Terra si muove, e quindi anche sui fluidi in movimento negli oceani oppure nell'atmosfera. Essa è perpendicolare alla direzione di moto dei corpi in movimento, è proporzionale alla velocità di movimento ma la sua intensità varia - come descritto nel prossimo paragrafo - con la latitudine. La forza di Coriolis riesce a deviare la traiettoria dell'oggetto che si muove, non ha invece alcun effetto diretto sulla sua velocità di spostamento.
Come appena descritto, la forza di Coriolis è strettamente legata al moto rotatorio della Terra attorno al suo asse. L’impatto di tale moto sulla forza di Coriolis varia però con la latitudine: esso è assente all'equatore e aumenta man mano che ci si avvicina ai poli.
Eccone un'illustrazione pratica:
Immaginate di essere al centro di una giostra. Essa gira su sé stessa e nel contempo fa girare anche voi su voi stessi, attorno all’asse del corpo umano. Il vostro corpo riceve dalla giostra un certo movimento rotatorio, descritto in meteorologia con il termine di vorticità.
Questa vorticità rimane costante sia che siate al centro della giostra, sia che vi spostate verso il bordo di essa. Infatti in ogni punto in cui vi trovate compiete un giro completo nello stesso lasso di tempo (l'asse di rotazione della giostra è parallelo all'asse verticale delle persona sul disco della giostra); quello che cambia è la velocità di movimento attorno all'asse, che aumenta allontanandosi dall’asse di rotazione.
La nostra Terra però non è una giostra (ovvero un disco), bensì una sfera, e ciò rappresenta una notevole differenza. Se vi trovate a uno dei poli, l'asse di rotazione della Terra risulta esattamente parallelo all'asse del vostro corpo. Il movimento di rotazione della Terra si manifesta su di voi facendovi ruotare su voi stessi. Immaginandosi ora un viaggio da un polo verso l'equatore, l'asse del vostro corpo si discosterà sempre di più dalla direzione dell'asse di rotazione della Terra, fino ad essere esattamente perpendicolare ad esso quando avrete raggiunto l'equatore. A quel punto, la vostra vorticità sarà esattamente nulla. Questo in quanto per una persona che si trova all'equatore il movimento di rotazione della Terra si manifesta facendola spostare attorno al globo ma senza più provocare alcuna rotazione alcuna su essa stessa. In altre parole, più ci si allontana dai poli, più rapidamente si ruota attorno all'asse di rotazione terrestre, ma meno si ruota su sé stessi. E cosa significa tutto ciò applicato alle masse d'aria? Di fatto valgono le stesse regole...
Per un osservatore che si trova sopra il Polo Nord, la Terra ruota in senso antiorario attorno al suo asse. Per un osservatore posizionato sopra il Polo Sud, invece è esattamente il contrario, ovvero la Terra ruota in senso orario su sé stessa.
Da entrambi i punti di osservazione la superficie terrestre appare come una sorta di disco che ruota in direzioni opposte. Ovviamente i due emisferi ruotano nella stessa direzione, ciò che cambia è il sistema di riferimento preso in considerazione. Per rendersene conto, basta girare una semplice tazza tra le mani e osservare da che parte ruota il manico osservandola dal basso e poi dall'alto. Vi siete ora convinti?
In sintesi, la forza di Coriolis è molto forte al Polo Nord, mentre diminuisce gradualmente verso l'equatore, dove diventa nulla. Spostandosi ulteriormente verso il Polo Sud essa cambia direzione e torna a crescere (in termini assoluti).
L'immagine soprastante mostra la traiettoria di un pacchetto d'aria in movimento nell'emisfero nord e proveniente dai quattro punti cardinali. La freccia blu rappresenta il gradiente di pressione, la freccia rossa la forza di Coriolis e la freccia nera la traiettoria effettiva seguita dal pacchetto d'aria. Prima dell'inizio del movimento, sul pacchetto d'aria agisce unicamente la forza originata del gradiente di pressione che spinge l'aria dall'alta alla bassa pressione (B). Non appena il pacchetto d'aria inizia a muoversi, se non si trova troppo vicino all'equatore, la forza di Coriolis entra in azione agendo perpendicolarmente al movimento e deviando così il pacchetto d'aria verso destra (freccia rossa). Man mano che la velocità di spostamento cresce, anche la forza di Coriolis aumenta, deviando la massa d'aria sempre più verso destra, mentre la forza del gradiente di pressione rimane costante e sempre diretta verso il centro del minimo barico. Nel punto di equilibrio, le due forze agiranno in direzioni opposte e avranno lo stesso valore (modulo). A questo punto, il vento sarà parallelo alle isobare (linee di uguale pressione). Questo vento (che è più teorico che reale) è detto vento geostrofico. Se le condizioni restano invariate, questo punto di equilibrio può rimanere invariato all'infinito. Tuttavia sul pacchetto d'aria agiscono anche altre forze - a basse quote in particolare la forza di attrito - che permettono alle depressioni comunque di colmarsi.
Questa breve descrizione mostra come la forza di Coriolis agisca in modo percettibile solo su fenomeni a larga scala e che impiega un certo tempo per raggiungere il suo pieno effetto. Il suo effetto è trascurabile e impercettibile per fenomeni più locali come brezze, il favonio, lo Joran.
Su Internet sono disponibili numerosi esperimenti sulla forza di Coriolis, tra cui questo molto interessante (National Geographic).
Per oggi è tutto. Speriamo che questo articolo non vi abbia fatto girare troppo la testa!