Strumentazione Storica

Sono ancora conservati gli strumenti che hanno condiviso la vita dell’Osservatorio: alcuni sono tuttora utilizzati per estendere la serie storica dei dati. Si tratta di strumenti esclusivamente meccanici. Le grandezze fisiche da misurare producono degli effetti dinamici che possono essere il risultato dell’applicazione diretta di una forza (come nel caso di vento, pioggia) o della deformazione di particolari sostanze adatte allo scopo (come nel caso di: temperatura, pressione, umidità, radiazione solare).
La misura della grandezza in esame può essere ricavata mediante osservazione diretta dell’effetto dinamico con l’ausilio di una scala graduata, oppure essere trasmessa attraverso un sistema di leve e ingranaggi ad un indice in spostamento angolare o lineare corrispondente per analogia al valore della variabile in esame (strumenti analogici).
Se l’indice è provvisto di un pennino alimentato da inchiostro (“penna scrivente”) e si predispone un tamburo in lenta e uniforme rotazione, grazie ad un meccanismo ad orologeria, foderato poi di carta diagrammata dove il pennino possa appoggiarsi, otteniamo uno strumento a registrazione, cioè in grado di fornire un diagramma temporale.
Le stazioni moderne utilizzano invece strumenti di misurazione elettrici, nei quali l’applicazione della grandezza da misurare fa insorgere, mediante un adatto trasduttore, un segnale elettrico di cui viene misurata una delle caratteristiche (tensione, intensità di corrente). Tali strumenti sono assai più flessibili nell’utilizzazione, consentendo facilmente l’indicazione dei dati in forma digitale, l’eventuale registrazione e l’inserzione in un sistema di elaborazione elettronica, anche a distanza.

ELIOFANOGRAFO
tipo CAMPBELL-STOKES

Misura il periodo di tempo in cui l’insolazione ha raggiunto una data intensità o, più grossolanamente, il periodo di tempo in cui, nel corso della giornata, il sole non è oscurato da nuvole.
La radiazione solare viene concentrata, mediante una sfera di vetro che fa da lente convergente, su una striscia di carta sulla quale, se l’intensità della radiazione è sufficiente, si ha una bruciatura lineare. Se invece i raggi solari vengono intercettati da strati di nubi, la striscia di carta non viene impressionata.

PIRANOGRAFO BIMETALLICO
tipo ROBITZSCH

Misura l’intensità della radiazione solare globale, cioè della radiazione solare diretta più quella diffusa dall’atmosfera.
Funziona per effetto differenziale di tre lamine bimetalliche. Quella centrale è annerita per assorbire la radiazione incidente e, riscaldandosi, si deforma in base alla dilatazione relativa dei due materiali aventi diversi coefficienti di dilatazione. Le due laterali, verniciate di bianco, riflettono la radiazione incidente e non subiscono modifiche. Il movimento relativo tra le lamine, attraverso un opportuno gioco di leve sensibilissimo, viene portato ad un pennino scrivente su carta diagrammale.
Le lamine sono esposte alla volta celeste al centro di una campana emisferica di vetro d’ottica, che le ripara dalla radiazione termica del suolo e dell’aria immediatamente circostanti, oltre che dagli eventi atmosferici. Una cartuccia contenente sali disseccanti protegge l’interno dello strumento dall’umidità.

BAROMETRO METALLICO
(detto anche OLOSTERICO o ANEROIDE)

Misura la pressione atmosferica.
La pressione e la sua variazione viene indicata da un indice mobile in rotazione su una scala graduata, opportunamente collegato, mediante adatti meccanismi, a una o più sottili scatole metalliche, con pareti elastiche e nel cui interno sia stato fatto il vuoto. Tali scatole (capsule barometriche), le cui basi presentano ondulazioni anulari concentriche al fine di ottenere una maggiore flessibilità, si deformano in vario modo al variare della pressione atmosferica e i loro movimenti sono ripetuti ed amplificati dall’indice.
Questo tipo di barometro deve essere tarato per confronto con le indicazioni di un barometro a mercurio.
E’ presente un indice ausiliario, da regolare a mano, per valutare meglio la variazione di pressione da un giorno all’altro.

BAROGRAFO ANEROIDE

Barometro registratore, cioè misuratore della pressione atmosferica in grado di fornire il suo diagramma temporale (barogramma).
Usa una colonna di capsule barometriche (in quelli più moderni in numero di otto), le cui deformazioni vengono trasmesse, amplificate, per il tramite di un sistema di leve ad un pennino scrivente su carta diagrammale.
Poiché una variazione di temperatura ambiente comporta, a causa di deformazioni termiche del sistema, uno spostamento dell’indice e quindi una variazione fittizia di pressione, tale barometro viene compensato termicamente mediante una lamina bimetallica inserita opportunamente nel sistema amplificatore di leve.

BAROMETRO a MERCURIO
tipo FORTIN

Misura la pressione atmosferica basandosi principalmente sull’esperienza di Torricelli.
E’ costituito da un tubo di vetro, lungo circa un metro, chiuso a un estremo e riempito di mercurio (tubo torricelliano) che viene capovolto verticalmente in una bacinella aperta contenente anch’essa del mercurio. La colonna di mercurio nel tubo si abbassa per un certo tratto e quando la discesa si arresta, in corrispondenza alla superficie libera del mercurio della bacinella si hanno nel tubo due forze di pressione, una dall’alto verso il basso dovuta alla sovrastante colonna di mercurio, l’altra dal basso verso l’alto dovuta alla pressione atmosferica. Le due pressioni devono, per l’equilibrio raggiunto, essere uguali: si ha così la possibilità di misurare la pressione atmosferica misurando l’altezza della colonna di mercurio. Questa altezza in media al livello del mare è di 760 millimetri e la corrispondente pressione atmosferica, assumendo la densità del mercurio uguale a 13,596 grammi per centimetro cubo, vale 1013,25 ettopascal (hPa).
Purtroppo il livello del mercurio nella vaschetta varia al variare del livello del mercurio nel tubo, determinando lo spostamento del punto di partenza di un’eventuale scala graduata introdotta. Questo inconveniente viene superato mediante un’opportuna vite di regolazione agente sul fondo flessibile della vaschetta, attraverso la quale è sempre possibile portare il livello del mercurio a sfiorare una punta fissata al disco che chiude superiormente la vaschetta e che viene scelto come zero della scala graduata.
Il tubo di vetro e la bacinella (“pozzetto”) sono protetti da una guaina di ottone che presenta delle aperture in corrispondenza delle zone interessate dalla procedura di misura.
Un termometro attaccato al barometro misura la temperatura ambiente (e quindi del mercurio) per poter correggere, usando apposite tabelle, la lettura dell’altezza del mercurio dall’errore dovuto alla dilatazione termica dello stesso.

TERMOMETRO a MERCURIO

Misura la temperatura dell’aria.
Si tratta di un termometro a dilatazione costituito da un cannello di vetro (capillare) che termina con un rigonfiamento, detto bulbo, contenente mercurio. Lo spazio occupato dal mercurio nel cannello varia a seconda della temperatura che è indicata su una scala graduata situata sotto il cannello.
Il tutto è situato in un involucro protettivo di vetro.

TERMOMETRO a MINIMA ad ALCOOL

Misura la temperatura minima raggiunta in un determinato intervallo di tempo.
Si tratta di un termometro ad alcool nel quale è immersa e può scorrere una sottile sbarretta di acciaio leggermente rigonfia alle estremità. Se la temperatura diminuisce, il menisco, ovvero la forma concava che assume la superficie libera dell’alcool in presenza di fenomeni di capillarità, ritirandosi si trascina dietro la sbarretta a causa delle forze dovute alla tensione superficiale, mentre quando la temperatura cresce l’alcool dilatandosi fluisce liberamente intorno alla sbarretta stessa, lasciandola ferma nella posizione raggiunta. Il bulbo è a forma di U per aumentare la superficie di contatto con l’ambiente e rispondere meglio alle variazioni di temperatura.
Lo strumento va tenuto orizzontale durante la misurazione. Dopo averla eseguita si riporta la sbarretta per gravità a contatto del menisco che indica la temperatura del momento.

TERMOMETRO a MASSIMA a MERCURIO

Misura la temperatura massima raggiunta in un determinato intervallo di tempo.
Si tratta di un termometro a mercurio che presenta uno strozzamento tra il bulbo ed il tubo capillare. In tal modo il mercurio può dilatarsi liberamente durante il riscaldamento e passare dal bulbo nel tubo capillare perché vi è spinto dalla forza generata dalla dilatazione. Durante il raffreddamento invece non può retrocedere spontaneamente per contrazione e si spezza nel punto in cui il capillare si assottiglia. Ne consegue che la colonna di mercurio nel capillare rimane fissa nella posizione più espansa raggiunta indicando così la temperatura massima. Il termometro va usato in posizione orizzontale per evitare che il mercurio passi direttamente nel bulbo per gravità.
A misurazione effettuata, il mercurio nel capillare viene rinviato nel bulbo scuotendo appropriatamente lo strumento.

IGROMETRO a CAPELLI

Misura l’umidità relativa dell’aria.
Si basa sulla proprietà dei capelli di variare di dimensioni al variare dell’umidità relativa dell’aria.
All’allungarsi e all’accorciarsi del fascetto di capelli, in seguito all’assorbimento dell’umidità atmosferica, il filo avvolto su una puleggia fissata all’indice e tenuto in tensione dalla molla fa ruotare l’indice stesso sulla scala graduata. Lo strumento va tarato per confronto con l’indicazione di uno psicrometro.

PSICROMETRO di AUGUST ad ASPIRAZIONE

Misura l’umidità relativa dell’aria.
E’ costituito da due termometri a mercurio uguali montati su di un supporto al quale è collegato un condotto a forcella che termina in un aspiratore azionato da un motore a molla che fa circolare forzatamente l’aria intorno ai bulbi dei due termometri.
Il termometro detto “asciutto” indica la temperatura reale dell’aria, mentre il termometro detto “bagnato” con il bulbo ricoperto da una garza che, al momento della misurazione, viene intrisa di acqua distillata indica, una volta che tutto il sistema sia in equilibrio con l’aria ambiente, una temperatura minore a causa della sottrazione di calore per l’evaporazione dell’acqua.
Dalla differenza tra le temperature indicate dai due termometri si deduce, mediante la consultazione delle tabelle psicrometriche che riportano i valori calcolati attraverso la formula teorica dello psicrometro, la tensione di vapore e quindi l’umidità relativa dell’aria.
Il funzionamento dello strumento è basato sul principio che quanto maggiore è la percentuale di vapore contenuto in un dato ambiente, tanto più lenta è l’evaporazione di un liquido in esso contenuto ed in conseguenza minore è l’abbassamento di temperatura che ne deriva.

TERMOIGROGRAFO (TERMOGRAFO MECCANICO + IGROGRAFO a CAPELLI)

Si tratta di uno strumento combinato che registra contemporaneamente, in funzione del tempo, due variabili su zone parallele della stessa carta diagrammata.
E’ costituito da:
1. Termometro registratore, cioè misuratore della temperatura dell’aria in grado di fornire il suo diagramma temporale (termogramma).
L’elemento sensibile è una lamina bimetallica ad anello. Le deformazioni dell’anello, legate alla dilatazione relativa dei due materiali aventi diversi coefficienti di dilatazione, sull’estremo libero comandano attraverso un sistema di leve un pennino scrivente su carta diagrammale.
2. Igrometro registratore, cioè misuratore dell’umidità relativa dell’aria in grado di fornire il suo diagramma temporale (igrogramma).
L’elemento sensibile è un fascetto di capelli che aziona con il suo allungarsi e accorciarsi un pennino scrivente su carta diagrammale.

PLUVIOGRAFO a BILANCIA
o ad ALTALENA

Misura e registra l’altezza della precipitazione piovosa fornendo il suo diagramma temporale (pluviogramma).
E’ composto da due parti essenziali: l’imbuto collettore (bocca tarata) ed il registratore.
L’imbuto delimita l’area attraversata dalla precipitazione e convoglia l’acqua piovana verso il registratore sottostante che ha la funzione di accoglierla in un serbatoio con due vaschette uguali, non comunicanti, posto su un giogo a bilancia. Quando la vaschetta che si trova sotto lo sbocco del collettore ha raccolto una certa quantità d’acqua, il serbatoio si sposta sull’altra posizione determinando così lo svuotamento della prima vaschetta ed il progressivo riempimento della seconda.
In definitiva il serbatoio compie una serie di oscillazioni, a ognuna delle quali corrisponde la ricezione di una determinata quantità d’acqua. Tale moto oscillante agisce, mediante un meccanismo a scappamento con ancora, su una ruota dentata che, con un eccentrico di forma opportuna, fa muovere una pennina scrivente su un tamburo ruotante dotato di un diagramma.
Secondo consuetudine la superficie del collettore circolare è pari a 0,1 metri quadrati, mentre il meccanismo è tarato in modo che si abbia un’oscillazione ogni volta che venga raggiunto il peso di 20 grammi di acqua, pari ad una altezza di 0,2 millimetri di precipitazione. Tale è quindi il valore dell’altezza della precipitazione corrispondente ad ogni singolo scatto del pennino.
Nel caso di precipitazioni nevose viene accesa una fonte di calore (una lampadina elettrica a filamento di carbone) che, riscaldando il collettore, provoca la fusione della neve che si deposita.
Storicamente per la misura delle precipitazioni è sempre stato utilizzato anche un pluviometro, cioè un contenitore cilindrico con sovrapposto un collettore circolare del tipo per il pluviografo. Ad intervalli di tempo predefiniti l’eventuale contenuto liquido presente viene trasferito in un misurino graduato di vetro, sul quale si ha la possibilità di leggere direttamente l’altezza dell’acqua caduta.
Si ricorda che un millimetro di pioggia raccolta dalla bocca tarata equivale ad un litro di acqua versato su un metro quadrato di superficie.

ANEMOMETRO
a ROTAZIONE tipo a COPPETTE con BANDERUOLA

Misura la velocità e la direzione del vento.
Si basa sulla misurazione della frequenza di rotazione di un mulinello a coppette emisferiche ad asse verticale esposto contro vento. La velocità del vento è ottenuta misurando , con un contagiri totalizzatore, il numero di giri compiuti dal mulinello in un dato intervallo di tempo.
Se è provvisto di dispositivo registratore si chiama anemografo e la registrazione fornita anemogramma.

Per indicare la direzione invece si usa una banderuola girevole attorno a un asse verticale e collegata ad apposito indice mobile su una scala.