Abstract
Sono abbastanza sicuro che si verificano regolarmente precipitazioni e talvolta ottenere abbastanza bagnato dal momento che non si dispone di abbigliamento adeguato! La pioggia è sia una risorsa necessaria, poiché riempie i fiumi e fornisce acqua dolce, sia una potenziale minaccia con forti piogge che portano a inondazioni (possibilmente rapide). Un passo molto necessario per capire meglio questo fenomeno naturale è misurarlo correttamente., Risulta essere piuttosto complicato perché le precipitazioni sono estremamente variabili nel tempo e nello spazio. In questo articolo, imparerai il funzionamento di tre dispositivi di misurazione delle precipitazioni che forniscono la profondità cumulativa delle precipitazioni (pluviometri a secchio), la dimensione e la velocità delle gocce che cadono (disdrometri) o le mappe delle precipitazioni (radar meteorologici).
La pioggia è una delle esperienze più comunemente condivise sulla Terra, e scommetto che lo assisti regolarmente. A volte sei pronto con abiti appropriati e talvolta no!, Le precipitazioni sono a volte lunghe e leggere, a volte corte e pesanti, a volte lunghe e pesanti. Quando le precipitazioni sono lunghe e pesanti, possono portare a inondazioni rapide, che sono pericolose per la popolazione vicina. Anche le precipitazioni sono necessarie, poiché forniscono acqua alle piante e alla fine riempiono i fiumi. Poiché la pioggia è sia una risorsa necessaria che una minaccia, è importante comprendere meglio questo fenomeno naturale.
È molto probabile che tu abbia già notato che la pioggia è variabile nel tempo. Quando rimani nello stesso posto, non piove sempre lì., Anche durante un evento piovoso, la forza della pioggia può cambiare costantemente da molto leggera a molto forte. I periodi più forti di pioggia sono di solito piuttosto brevi. Questo tipo di variabilità delle precipitazioni è visibile anche su una scala più ampia, perché come sapete, ci sono mesi o anni più umidi e quelli più asciutti. C’è anche variabilità in cui si verifica la pioggia. Può piovere molto in una posizione e per niente, o con una forza molto diversa, a pochi chilometri di distanza o anche a poche centinaia di metri di distanza.
La variabilità è una caratteristica fondamentale della pioggia che la rende complessa da misurare., Meteorologi (persone che studiano il tempo) e ricercatori hanno sviluppato numerosi dispositivi di misurazione che consentono loro di studiare l’estrema variabilità delle precipitazioni. Spiegheremo il funzionamento dei tre dispositivi più comunemente usati. I dati che presentiamo sono stati raccolti nel campus di Ecole des Ponts ParisTech, dove lavoro.
Come misuriamo la quantità di pioggia che cade?
La misurazione più comune delle precipitazioni è la profondità totale delle precipitazioni durante un determinato periodo, espressa in millimetri (mm)., Ad esempio, potremmo voler sapere quanti millimetri di pioggia sono caduti nel corso di 1 ora, 1 giorno, 1 mese o 1 anno.
Puoi facilmente ottenere una misurazione approssimativa della profondità delle precipitazioni a casa. Basta seguire questi passaggi: (1) Prendere una bottiglia con i lati lisci, tagliare la parte superiore e capovolgerla sulla parte superiore della bottiglia, per creare una sorta di imbuto (vedi Figura 1A). (2) Attaccare un righello sul lato della bottiglia e riempire la bottiglia d’acqua fino al segno zero sul righello, che dovrebbe essere sopra i dossi sul fondo della bottiglia. I dossi altrimenti influenzerebbero la misurazione., (3) Portare il pluviometro fuori, per quanto possibile da edifici e alberi. (4) Annotare regolarmente il livello dell’acqua (ad esempio, ogni mattina alle 8:00 prima di andare a scuola) per raccogliere i propri dati. Se avete intenzione di prendere le vostre misure durante l’estate, parte dell’acqua all’interno della bottiglia evapora (fino a pochi mm al giorno) e questo influenzerà le vostre misure. Per evitare questo, è possibile aggiungere un sottile strato di olio all’acqua. Poiché è più leggero dell’acqua, l’olio galleggerà sulla parte superiore dell’acqua e impedirà l’evaporazione., Le misurazioni che ottieni dal tuo pluviometro ti diranno quanta pioggia si è verificata in un certo periodo di tempo.
- Figura 1
- A. Un pluviometro fatto in casa. B. Un professionista ribaltamento secchio pluviometro. C. Un esempio di dati ottenuti con un pluviometro a secchiello ribaltabile, che mostra quanta pioggia (in mm, asse Y) è caduta nel tempo (asse X) il 27 giugno 2017 sull’Ecole des Ponts ParisTech campus. L’ora corrisponde all’ora dell’orologio di quel giorno., L’aumento più rapido, corrispondente alla pioggia più forte, si è verificato tra le 13:00 e le 14: 00.
I professionisti usano dispositivi più complicati chiamati pluviometri a secchiello ribaltabile e ne puoi vedere uno in Figura 1B. Questo pluviometro sembra il tuo dispositivo fatto in casa, tranne che ci sono due secchi sotto l’imbuto. L’acqua che cade nel pluviometro verrà instradata a un secchio dall’imbuto. Una volta che il secchio è pieno, di solito dopo 0.,2 mm di pioggia cade, è progettato per ribaltare automaticamente, il che significa che l’altro secchio sarà ora sotto l’imbuto. Il processo inizia tutto da capo con questo altro secchio, fino a quando non viene riempito e suggerimenti. Il pluviometro registra il tempo di tutte le punte secchio, che darà i dati ricercatore su quanto velocemente la pioggia cade nel tempo. Figura 1C mostra un esempio dei dati che possono essere ottenuti utilizzando un pluviometro secchio ribaltabile. Queste osservazioni sono state fatte il 27 giugno 2017. La profondità delle precipitazioni (in mm) è rapidamente aumentata tra le 13:00 e le 14:00, il che significa che ha piovuto molto durante quel periodo., Durante un periodo di pioggia leggera, questo dispositivo non è molto preciso. Ad esempio, tra le 05:15 e le 13:00, tutto ciò che puoi dire è che sono caduti 0,2 mm di pioggia (una punta di un secchio), ma non sai esattamente quando è caduta la pioggia. Se c’è un sacco di vento, che può anche influenzare la precisione del dispositivo.
Come misuriamo le dimensioni delle gocce di pioggia?
Di cosa è fatta la pioggia? Gocce di pioggia, ovviamente! Pluviometri non sono abbastanza sensibili per essere in grado di prendere le misure di singole gocce di pioggia. Per iniziare a raccogliere dati sulle gocce e sulle loro dimensioni, è necessario un dispositivo chiamato disdrometer.,
Prima di descrivere un “vero” disdrometer, ecco come si può fare uno a casa (vedi Rif. per una descrizione più dettagliata). Segui questi passaggi: (1) Prendi un piatto e mettici sopra qualche millimetro di farina. (2) Quando piove, uscire con la piastra coperta, scoprirla per alcuni secondi in modo che alcune gocce possano cadere su di essa e creare piccoli crateri, quindi tornare all’interno. (3) Analizzare il risultato.
Osserverai qualcosa di simile a quello mostrato in Figura 2A, e noterai che le gocce non hanno tutte le stesse dimensioni-alcune sono molto piccole e alcune sono molto grandi!, In realtà, i crateri sono più grandi delle gocce perché l’acqua si diffonde leggermente dopo aver colpito la piastra, ma consentono comunque di visualizzare direttamente la grande varietà di dimensioni delle gocce, anche in un tempo molto breve.
- Figura 2
- A. Misure ottenute con un disdrometer fatto in casa, fatto di farina su un piatto. B. Un disdrometer ottico. Consiste in un trasmettitore che genera un foglio di luce verso il ricevitore. Quando una goccia cade attraverso il dispositivo, il ricevitore viene ombreggiato (vedi Rif., per un articolo scientifico che utilizza questo dispositivo). C. Dati del Disdrometer che mostrano il numero di gocce, in base alle classi di dimensioni delle gocce, misurate durante un evento di pioggia che si è verificato il 27 giugno 2017 nell’Ecole des Ponts ParisTech campus. Sull’asse X, è possibile vedere la dimensione delle classi di diametro e sull’asse Y, il numero di drop per quella classe. Come puoi vedere la larghezza delle varie classi non è sempre la stessa. Sono più piccoli per le piccole gocce che sono più numerose D. Tasso di pioggia in mm / h (asse Y) nel tempo in h (asse X), durante lo stesso evento di pioggia mostrato in C., Questo grafico mostra che tre picchi di pioggia si sono verificati durante quel giorno.
Come potete immaginare, meteorologi e ricercatori volevano un dispositivo più automatico e preciso del piatto di farina! Ora usano principalmente i disdrometri ottici, che funzionano come mostrato nella Figura 2B.Questo tipo di disdrometro è composto da due parti: un trasmettitore e un ricevitore. Il trasmettitore genera un foglio di luce di pochi mm di altezza. Il ricevitore è allineato con il trasmettitore, il che significa che quando non piove, il ricevitore riceve tutta la luce., Tuttavia, quando una goccia passa attraverso il foglio di luce, indovina cosa succede? La quantità di luce ricevuta è minore, perché una porzione viene bloccata dalla goccia. Se la goccia cade molto rapidamente, la durata della diminuzione della luce ricevuta sarà breve. Questo è il modo in cui viene stimata la velocità verso il basso (velocità) della caduta. Se la goccia è grande, il segnale misurato dal ricevitore diminuirà più che con una goccia più piccola. Ecco come viene stimata la dimensione della goccia. In questo modo vengono misurate le dimensioni e la velocità di ogni goccia che passa tra il trasmettitore e il ricevitore.,
Le gocce di pioggia possono essere grandi come 5-6 mm. Le gocce più grandi vengono divise durante la loro caduta. In effetti a queste dimensioni non sono abbastanza forti da resistere alla potenza del vento che sentono quando cadono rapidamente. La velocità con cui cadono le gocce aumenta con le loro dimensioni: le gocce di 1 mm cadono a 3 m/s mentre le gocce di 5 mm (molto grandi) cadono a 8 m / s. La figura 2C mostra il numero di gocce di ogni dimensione cadute durante una tempesta avvenuta il 27 giugno 2017 nell’area di Parigi. Le piccole gocce sono molto più numerose di quelle grandi. Ma non dimenticare che una goccia da 1 mm ha un volume 125 volte più piccolo di una goccia da 5 mm!, Ciò significa che, anche se non sono numerosi, grandi gocce rappresentano un sacco di profondità di pioggia. Consideriamo ora passaggi temporali successivi di 30 s. Quindi, aggiungendo il volume di tutte le gocce che sono passate attraverso il disdrometer durante un passaggio temporale di 30 s, è possibile stimare la quantità di profondità della pioggia caduta durante ogni passaggio temporale di 30 s. Questa stima vi darà il tasso di pioggia, e di solito è espresso in mm / h. Il tasso di pioggia ti dà un’idea della forza della pioggia., Il tasso di pioggia corrisponde alla profondità della pioggia che si accumulerebbe su 1 h, se il tasso di pioggia rimanesse costante durante quest’ora (che in realtà non si verifica mai nella vita reale). La figura 2D mostra il tasso di pioggia (in mm / h), con passaggi temporali di 30 secondi, durante lo stesso evento del 27 giugno 2017. La forte variabilità nel tasso di pioggia può essere facilmente vista nel grafico.
Come facciamo le mappe delle precipitazioni?
Fino ad ora, abbiamo discusso solo dispositivi in grado di fornire misurazioni delle precipitazioni in una posizione precisa., Entrambi i pluviometri e i disdrometri ti danno solo un’idea della pioggia che è caduta su di loro, ma non sulle aree circostanti o a 20 km di distanza. Per creare mappe delle precipitazioni, che sono mappe con la quantità di pioggia caduta su un determinato periodo di tempo (ad esempio, 5 min o 1 h) in più posizioni, dobbiamo fare affidamento sul radar meteorologico.
Il funzionamento del radar meteorologico è riassunto nella Figura 3A. Innanzitutto, l’apparecchiatura radar trasmette un’onda elettromagnetica in una direzione, che trasferisce una certa energia attraverso l’atmosfera., Quando questa energia raggiunge una goccia d’acqua in una nuvola, una piccola parte di quell’energia viene rimandata all’apparecchiatura radar. Quindi, l’apparecchiatura misura questa piccolissima quantità di energia ricevuta da tutte le gocce. Utilizzando programmi speciali per computer, è possibile convertire la quantità di energia ricevuta nella quantità di pioggia. È importante ricordare che un radar non misura direttamente la quantità di pioggia, ma misura invece la quantità di energia inviata indietro dalle gocce. Questa conversione di energia nella quantità di pioggia risulta essere difficile e le persone stanno ancora facendo ricerche per migliorarla ., Ad esempio, attualmente la distribuzione delle dimensioni di rilascio e la posizione di rilascio all’interno di un pixel radar sono considerate omogenee. È una semplificazione eccessiva della realtà che può influenzare le misurazioni . Il programma per computer consente l’apparecchiatura radar per stimare la quantità di precipitazioni in luoghi che sono lontani esso. L’apparecchiatura radar può girare intorno e può anche cambiare il suo angolo, in modo che possa stimare il tasso di pioggia in tutto l’ambiente circostante.
- Figura 3
- A., Il radar meteo funziona inviando un’onda nell’atmosfera in cui le gocce restituiscono una parte di esso al radar. L’attrezzatura mostrata si trova nel campus di Ecole des Ponts ParisTech. B. Una mappa delle precipitazioni creata utilizzando i dati ottenuti con questo radar il 15 settembre 2016 su 3 min e 40 s. Due celle di pioggia molto intense sono visibili nella parte inferiore della mappa.
A seconda del tipo di radar, è possibile stimare le precipitazioni fino a 150-200 km dall’apparecchiatura radar. Numerosi paesi sviluppati hanno una rete di apparecchiature radar., Combinando i dati raccolti da tutte le diverse apparecchiature radar, possiamo ottenere mappe delle precipitazioni su tutto il paese. La figura 3B mostra un esempio di mappa radar delle precipitazioni misurata da apparecchiature radar presso l’Ecole des Ponts ParisTech. La variabilità delle precipitazioni può essere visto-notare le due cellule molto intense sulla parte inferiore della mappa, in giallo e rosso.
Cosa abbiamo imparato?
Le precipitazioni sono estremamente variabili, sia nel tempo che tra diverse località, il che rende molto difficile la misurazione., Un pluviometro raccoglie fondamentalmente l’acqua che cade su di esso e registra il cambiamento nel tempo nella profondità della pioggia, che di solito è espressa in mm. È possibile ottenere informazioni molto più dettagliate con i disdrometri. Un drisdrometro genera un foglio di luce che viene parzialmente bloccato quando una goccia cade attraverso di esso. La dimensione e la velocità di ogni goccia che passa attraverso il foglio di luce è stimata dalla quantità di luce che è bloccata., Per creare mappe delle precipitazioni che misurino le precipitazioni su più posizioni, dobbiamo usare il radar, che fondamentalmente invia un po ‘ di energia nell’atmosfera e analizza la parte di quell’energia che viene restituita quando rimbalza dalle gocce di pioggia nell’atmosfera. Ci sono ancora molti scienziati che lavorano per misurare con precisione le precipitazioni nel tempo e in più posizioni contemporaneamente.
Glossario
Pluviometri a secchio ribaltabile: un dispositivo che misura la profondità cumulativa delle precipitazioni (in mm) in una posizione precisa.,
Disdrometer: Un dispositivo che misura la dimensione e la velocità di ogni goccia di pioggia che lo attraversa.
Radar meteo: un dispositivo che consente di calcolare le mappe delle precipitazioni su una vasta area per vari passaggi temporali (ad esempio, 5 min, 1 h e 1 giorno).
Omogeneo: essendo di tipo simile ovunque.
Dichiarazione sul conflitto di interessi
L’autore dichiara che la ricerca è stata condotta in assenza di rapporti commerciali o finanziari che potrebbero essere interpretati come un potenziale conflitto di interessi.,
Riconoscimenti
Gli autori riconoscono molto il sostegno finanziario parziale dalla Cattedra “Idrologia per le città resilienti” (dotata da Veolia) dell’Ecole des Ponts ParisTech.