Quando si parla di maree, vengono subito in mente le variazioni di livello marino i cui effetti abbiamo osservato moltissime volte sul bagnasciuga di una spiaggia, quando il mare comincia ad avvicinarsi troppo al nostro asciugamano, oppure quando, sul molo di una marina, osserviamo alghe e mitili attaccati alla parete della banchina esposti al Sole invece che sommersi. Le maree sono un fenomeno noto da millenni e, come compreso e spiegato da Isaac Newton nel diciassettesimo secolo, sono dovute agli effetti combinati dell’attrazione gravitazionale della Luna e del Sole. È peraltro ben noto che la marea cambia circa ogni sei ore oppure circa ogni dodici ore a seconda della località, che le ampiezze dei massimi e dei minimi variano nel corso del mese lunare e, infine, che gli effetti possono essere amplificati dalle condizioni meteorologiche. Tutto ciò, però, riguarda esclusivamente il mare, per cui si parla di maree marine.
Ben diverso e molto meno noto è il caso delle maree atmosferiche. Così come le maree marine sono movimenti periodici del mare che ne modificano il livello (alte e basse maree), parimenti le maree atmosferiche sono oscillazione periodiche dell’atmosfera che modificano il valore della pressione atmosferica locale, ossia modificano la forza con la quale l’atmosfera “preme” sulla superficie terrestre e pure sul nostro corpo1. Un’altra importante differenza tra le maree atmosferiche e le maree marine è il meccanismo che le genera: mentre l’attrazione luni-solare è l’unico “motore” delle maree marine, nel caso delle maree atmosferiche vi sono due diversi processi che danno loro origine:
- L’attrazione gravitazionale luni-solare, identicamente a quanto visto in precedenza per le maree atmosferiche gravitazionali (MAG)
- L’irraggiamento solare, che causa le maree atmosferiche termiche (MAT)
Le MAT hanno un’ampiezza pari approssimativamente a 1 hPa (il Pascal è l’unità di misura della pressione atmosferica e corrisponde alla pressione di un chilogrammo esercitata sulla superficie di un metro quadrato; la “h” davanti alle lettere “Pa” sta per “etto”, ossia 100 Pascal), pertanto molto piccola rispetto al valore di pressione atmosferica tipico di una località sul livello del mare, mediamente pari a circa 1013 hPa, anche se tale valore dipende dalle condizioni meteorologiche. Questi numeri ci fanno capire come le MAT siano un fenomeno praticamente impossibile da percepire nella vita di ogni giorno, in quanto rappresentano variazioni di una parte su mille rispetto alla pressione atmosferica normalmente presente. Le MAG, a loro volta, rappresentano un tipo di fenomeno ancora meno evidente, dal momento che la loro ampiezza è approssimativamente un ventesimo rispetto alle MAT, ossia un ventimillesimo della pressione atmosferica media di una località posta sul livello del mare. Ecco perché gli studi sulle maree atmosferiche usualmente riguardano le MAT e non le MAG.
Nonostante le maree atmosferiche siano un fenomeno evanescente se si considerano le capacità sensoriali di un essere umano, le MAT sono facilmente individuabili nelle registrazioni di pressione atmosferica di una determinata località. Infatti, filtrando matematicamente tutte le variazioni casuali che influiscono sui valori della pressione atmosferica locale (come, per fare un esempio, il passaggio di un fronte temporalesco), le MAT raggiungono il loro valore massimo verso le 10 e le 22 di ogni giorno, mentre i minimi si osservano approssimativamente alle 4 e alle 16 (Fig. 1). Ripetiamo: ciò succede ogni singolo giorno, solo che non ne siamo consapevoli data la modestissima variazione nei valori della pressione. Inoltre, si dice che il periodo delle MAT è semidiurno perché i valori si ripetono ogni 12 ore (metà di un giorno), a differenza di ciò che succede con un ciclo diurno, nel quale i valori si ripetono ogni 24 ore.
Ma questo fenomeno ha un aspetto più intrigante, specialmente per chi pratica la speleologia. Come tutti sanno, se comprimiamo un gas, esso aumenta la sua temperatura. Al contrario, se il gas viene espanso, la sua temperatura diminuisce. Ebbene, le MAT sono vere e proprie compressioni ed espansioni dell’atmosfera, pertanto anch’esse producono più volte al giorno – con ritmo semidiurno – microscopiche variazioni di temperatura. Tali variazioni sono del tutto trascurabili nella vita di ogni giorno e sono estremamente difficili da osservare, in quanto hanno valori dell’ordine del millesimo di grado. Eppure, oscillazioni semidiurne della temperatura con ampiezze proprio di qualche millesimo di grado sono state osservate da alcuni ricercatori in un laboratorio cinese nei primissimi anni duemila2. Non solo: gli effetti delle MAT sono stati osservati anche nella temperatura di cavità naturali! Uno dei primissimi articoli a trattare questo argomento è stato pubblicato nel 2005 in “Atti e Memorie”3; in esso vengono riportate le variazioni semidiurne di temperatura – pochi millesimi di grado – indotte dalle MAT nella grotta “Costantino Doria”. Tali misure4 sono state effettuate grazie all’estrema stabilità termica tipica di quella grotta così come di molte altre cavità simili, ossia caratterizzate da un ingresso superiore e un ambiente inferiore privo di ulteriori ingressi o con ingressi di dimensioni estremamente limitate. In questo tipo di cavità – spesso definite “cold trap” o “trappole del freddo” – l’aria fredda si deposita sul fondo e vi permane anche nel periodo estivo, dal momento che l’aria esterna in estate non riesce a penetrare significativamente nella cavità. Gli scambi di calore, pertanto, sono estremamente limitati e l’atmosfera della grotta non risente in modo marcato degli effetti dell’ambiente esterno. Questo tipo di cavità rappresenta lo scenario ideale per osservare le minuscole oscillazioni di temperatura indotte dalle MAT (Fig. 2).
Ma gli effetti sorprendenti delle MAT non finiscono qua. Nella grotta “Costantino Doria”, infatti, è stato osservato un fenomeno che sembra andare del tutto contro l’intuizione, la logica e persino (ma solo apparentemente) la fisica: le variazioni di temperatura indotte dalle MAT registrate nella grotta “Costantino Doria” sono “in anticipo” di un paio d’ore rispetto alle variazioni di pressione (Fig. 3). Ciò significa che i massimi e i minimi di temperatura anticipano i corrispondenti massimi e i minimi di pressione, come se l’effetto venisse un po’ prima della causa! Ovviamente non si tratta della scoperta dei viaggi nel tempo, bensì di un fenomeno osservato e spiegato dagli stessi scienziati cinesi che, per primi, hanno misurato gli effetti delle MAT sulla temperatura del loro laboratorio. In pratica, quando la pressione atmosferica nella cavità aumenta per effetto delle MAT, la temperatura comincia a crescere in parallelo ma, raggiunto un valore critico – e man mano che la MAT si avvicina al suo massimo e quindi “perde forza” – comincia a dominare il trasferimento di calore dall’aria della grotta alle pareti della cavità, proporzionale alla differenza di temperatura tra aria e pareti; come se fosse stato “tolto il tappo” ad un altro tipo di fenomeno fisico – quello della conducibilità termica -, la temperatura inizia a diminuire nonostante la marea atmosferica non abbia ancora raggiunto il suo massimo. Una spiegazione molto più dettagliata dal punto di vista matematico e fisico è fornita nell’articolo degli scienziati cinesi.
A distanza di quasi un quarto di secolo dalle prime misure inerenti agli effetti delle maree atmosferiche in cavità naturali ed artificiali – incluse quelle relative alle grotte del Carso triestino (Fig. 4) –, le ricerche proseguono e continuano a sorprendere per la varietà e la complessità dei risultati. Ma c’è qualcosa di più. In chi studia questo fenomeno, la consapevolezza dell’impercettibile, costante respiro dell’atmosfera, totalmente indifferente ai sempre troppi drammi umani così come agli effimeri trionfi, fedele a una legge – sì, fisica ma anche di emozionante bellezza –, regala un profondo, acquietante senso di umiltà.
Testo e foto Andrea Bussani
Nota 1) Mediamente, a livello del mare, il nostro corpo subisce una pressione di circa 1 chilogrammo su ogni centimetro quadrato di superficie. Non ci accorgiamo di tale pressione perché il nostro fisico è adattato a vivere in questo ambiente.
Nota 2) Wu S., Chen F., Fan S., Luo J., 2003: “Phase leading of temperature variations in a cavity caused by heat conduction between air and rock”, Chinese Physics Letters, 12: 2192-2194
Nota 3) Bussani A., 2005: “Influenza delle maree atmosferiche sulle misure di temperatura registrate nella grotta ‘C. Doria’ (N. 3875 V.G.)”, Atti e Memorie, 40: 125-131
Nota 4) Per effettuare questo genere di misurazioni vengono utilizzati degli strumenti scientifici (“datalogger”) programmabili. Essi vengono posizionati nella grotta e consentono di registrare – a seconda del modello – decine di migliaia o centinaia di migliaia di misure dei parametri fisici indagati. Le misure vengono scaricate periodicamente (ad esempio, una volta al mese) dagli sperimentatori e successivamente analizzate con metodi statistici e software opportuni.
