Il barometro è lo strumento di misurazione per la pressione atmosferica cioè la forza esercitata dall’atmosfera su una superficie di area unitaria.

La misurazione della pressione esercitata dall’aria è una conquista degli ultimi secoli. Gli antichi greci, romani e cinesi non possedevano il concetto di pressione atmosferica.

Fu l’italiano Torricelli a farne la scoperta partendo dal concetto che l’aria che respiriamo esercita un peso come tutti gli altri corpi soggetti all’attrazione gravitazionale della Terra.

Torricelli riempi di mercurio (Hg) una bacinella ed un tubicino di vetro della sezione di 1 cm² e alto 1 m. Quindi capovolse il tubicino nella bacinella avendo cura di non farci entrare aria. Osservò che il tubo non si svuotò completamente del mercurio contenuto, anzi in gran parte il mercurio continuava a permanere nel tubo nonostante lo avesse capovolto; l’altezza della colonna, infatti, si fermava a 760 mm.

Nella parte superiore del tubo lasciata libera da quella parte che si era riversata nella bacinella, Torricelli giustamente giunse alla conclusione che si fosse formato il vuoto.

Con questo esperimento lo scienziato dimostrò che l’aria esercitava una pressione sulla superficie libera del mercurio contenuto nella bacinella tale da compensare il peso del mercurio nella colonnina.

Era il peso dell’aria ad impedire alla colonnina di svuotarsi completamente.

In definitiva, Torricelli non aveva fatto altro che inventare una bilancia per pesare l’aria: su un piatto c’era l’aria con il suo peso, sull’altro piatto c’era il mercurio nella colonnina. Pertanto la pressione atmosferica era pari al peso esercitato da 760 mm di mercurio.

Si deve dire che 760 mm di mercurio rappresentano un valore medio, poiché ci sono vari fattori che contribuiscono a far variare questo valore.

Occorre prima di tutto precisare che questa misurazione é riferita al livello del mare, poiché la pressione diminuisce con l’altitudine.

Anche la temperatura contribuisce a modificare il valore reale, poiché il mercurio può dilatarsi o restringersi a seconda della temperatura dell’aria.

Infine, la pressione, al livello del mare, può subire delle variazioni da luogo a luogo (variazioni locali), fondamentali per le previsioni di tempo in quanto connesse alle aree di alta e bassa pressione ed è fondamentale l'uso di questo strumento proprio per evidenziare questo diverso peso dell'aria.

Quindi quando parliamo di pressione pari a 760 mm di mercurio, intendiamo sempre riferirci a condizioni medie, al livello del mare, con temperatura di 0° C. Il peso di una colonna d’aria di 760 mm di mercurio corrisponde a 760 torr e a 1013,25 ettopascal (h pa) o mb (millibar), oppure 1 atmosfera.

La scelta del mercurio, che è un metallo liquido alle temperature ordinarie, da parte di Torricelli, per la misurazione della pressione atmosferica è legata al suo peso specifico ( 13,58 g/cm3) che lo rende più comodo e maneggevole. Con l’acqua si avrebbe bisogno d’una colonna alta più di 10 m. in quanto la colonnina di 760 mm di mercurio somma ad un peso di  1032 g corrispondente ad una colonna d'acqua di oltre 10 m.

Lo strumento inventato da Torricelli prende il nome di barometro a mercurio.

È composto da una colonnina che comunica alla base con un pozzetto contenente mercurio, la cui superficie è a contatto con l’aria e risente sul suo peso. La colonnina presenta delle tacche regolari graduate riportanti valori espressi in mm di mercurio, oppure in millibar (mb) o ettopascal (h pa).

Altrettanto usato è il barometro aneroide che, per quanto meno preciso, è pure molto utilizzato soprattutto a bordo di navi ed imbarcazioni o nelle case (questi barometri domestici sono spesso associati con altri strumenti come il termometro, l’igrometro e talvolta l’orologio). Il barometro aneroide è basato su una capsula metallica al cui interno è stato praticato il vuoto e che perciò viene deformata e risente delle variazioni della pressione atmosferica.

Di forma circolare, riporta una scala graduata spesso in mm di mercurio e delle diciture del tipo: "tempo bello", "tempo secco", " tempesta", ecc.

Sul quadrante è presente una lancetta che registra le deformazioni della capsula metallica e indica il valore di pressione ed un indice mobile. Posizionando l’indice in corrispondenza della lancetta in un certo momento e registrando le variazioni della lancetta rispetto all’indice dopo un certo tempo (es. 3 ore) si possono ricavare informazioni sull’entità e la rapidità della variazione della pressione.

Il barometro aneroide esiste anche nella forma di barografo: uno strumento che, oltre a rilevare la pressione, ne misura le variazioni nel corso di lunghi periodi e, in questo caso, è collegato ad un dispositivo che registra i dati in grafico su un foglio avvolto attorno ad un cilindro che ruota in funzione del tempo.

Per la misurazione della temperatura vengono impiegati diversi tipi di termometro, tutti basati sul principio della dilatazione dei corpi riscaldati ed in particolare dei liquidi.

Il termometro consiste di un tubo di vetro perfettamente chiuso, che contiene un liquido come mercurio o alcool colorato.

Il principio che sta alla base del funzionamento del termometro è che i liquidi, in genere, si espandono quindi vengono riscaldati e si contraggono quando vengono raffreddati.

Il capillare all’interno del termometro è sottilissimo, così che una variazione anche minima della temperatura provoca una espansione o una contrazione del liquido tale da spingerlo in alto o in basso per una distanza sensibile. Il tubo è graduato, cioè è diviso in gradi, per cui le espansioni e contrazioni del liquido possono essere misurate.

Per la misurazione della temperatura si usa, perciò, un metodo indiretto, ossia misuriamo gli effetti che il calore produce in termini di dilatazione di un liquido.

Le scale termometriche sono tre: la scala centigrada (o Celsius) che è quella utilizzata nel S.I. (Sistema Internazionale); la scala Fahrenheit in uso nei paesi anglosassoni e la scala Kelvin, utilizzata nei laboratori scientifici.

Nella scala centigrada sono individuati due punti fondamentali, zero gradi che indica il punto di fusione del ghiaccio e 100 gradi che indica il punto d’ebollizione dell’acqua (0°C – 100°C).

L’intervallo tra questi due punti fondamentali è diviso in 100 parti, ognuna delle quali è chiamata grado. E’ chiaro che nei termometri sono riportati valori al di sotto e al di sopra di questi punti.

Per la scala Fahrenheit il termometro è tarato, invece, in modo da segnare 32° in corrispondenza dal punto di fusione del ghiaccio e 212° in corrispondenza dall’ebollizione dell’acqua (32° F – 212°F). Perciò fra il punto di fusione del ghiaccio e quello d’ebollizione dell’acqua ci sono 180°. Il grado Fahrenheit è, perciò, in ampiezza, più piccolo di quello Celsius.

Per convertire i gradi Celsius in Fahrenheit si moltiplica per 9/5 e si aggiunge trentadue. Per convertire i gradi Fahrenheit in centigradi si sottrae trentadue e poi si moltiplica per 5/9. Oppure semplicemente si poggia un righello trasversalmente fra le due scale e si legge la temperatura corrispondente.

Lo zero assoluto, ossia -273°C o -460°F rappresenta la temperatura più bassa teoricamente raggiungibile dalla materia.

Alla luce della teoria molecolare lo zero assoluto rappresenta il punto al quale le molecole mostrano l’energia più bassa possibile, vale a dire quando si trovano pressoché in stato di quiete.

La terza scala termometrica di cui si servono gli scienziati, è la scala Kelvin che comincia, appunto, dallo zero assoluto e fa uso di gradi della stessa ampiezza di quelli centigradi.

Per passare da gradi centigradi a quelli Kelvin (°K) basta aggiungere 273 alla lettura in centigradi e viceversa per passare da gradi K a gradi C basta togliere 273, per cui indicando con t la temperatura in centigradi e T la temperatura in Kelvin si ha: T = t + 273 e t = T- 273.

Un liquido per essere adatto ai termometri deve restare liquido a quella temperatura che il termometro è destinato a misurare. Se il fluido si congela e solidifica è evidente che non può più scorrere, se invece entra in ebollizione spacca il termometro.

Il punto di ebollizione del mercurio, 357° C, è sufficientemente elevato per consentirne l’impiego nei termometri destinati a misurare temperature moderatamente elevate; il suo punto di fusione è invece situato a -40°C ed è abbastanza basso per consentirne l’uso nella stagione invernale nei climi temperati. Per di più il mercurio si dilata uniformemente per un intervallo molto ampio di temperatura, caratteristica fondamentale di un fluido termometrico. Il mercurio è, perciò, un liquido particolarmente adatto alla misurazione della temperatura anche perché, cosa unica e vantaggiosa, è un metallo allo stato liquido alla temperatura ordinaria, per cui possiede le virtù dei metalli e dei liquidi. La sua virtù metallica consiste nel fatto che il calore si distribuisce uniformemente in gran parte del metallo stesso. La virtù liquida consiste nel fatto che i liquidi subisco una dilatazione maggiore rispetto ai solidi, per cui consentono una più agevole lettura. Un alto punto a favore del mercurio consiste nella proprietà di non "bagnare" il vetro in cui esso è contenuto. Il mercurio, però, è fuori gioco quando si tratta di misurare temperature molto basse. In questi casi si usa un altro liquido, ovvero l’alcool.

L’alcool etilico bolle ad una temperatura più bassa (78° C) rispetto a quella dell’acqua e, di conseguenza, non può essere utilizzato nei termometri che intendono misurare temperature elevate.

Viceversa, il suo punto di fusione notevolmente basso (- 130° C) lo rende utile nelle regioni artiche e polari.

L’impiego dell’alcol è consigliabile anche per il basso costo e per la proprietà di espandersi sei volte più del mercurio per un dato intervallo termico, risultando così più sensibile alle escursioni termiche. Per rendere più agevole la lettura, l’alcol viene colorato in rosso o in blu.

A seconda dei liquidi usati, i termometri per la misura della temperatura ambientale vengono chiamati termometri a mercurio o ad alcool.

Vi è però un altro tipo di termometro, basato sempre sulla dilatazione, ma questa volta sulla diversa dilatazione subita da materiali differenti saldamente vincolati l’uno accanto all’altro. Si chiama termometro a lamina bimetallica. L’elemento fondamentale di questo termometro è costituito da una spirale formata da due strisce metalliche saldate nel senso della lunghezza. In genere si usa l’ottone per la striscia interna e l’acciaio per quella esterna. Col calore l’ottone si dilata più dell’acciaio a parità di scarto termico; ne consegue che la dilatazione o la contrazione dovuta, rispettivamente, al riscaldamento o al raffreddamento, provocano l’allargamento o la contrazione della spira. Questi movimenti vengono trasmessi ad un indicatore che scorre lungo una scala graduata.

Se alle lamine è collegato un pennino scrivente, questo traccia una linea su un diagramma avvolto intorno ad un tamburo rotante. Tale tamburo, munito di dispositivo ad orologio, ruota intorno a se stesso consentendo al pennino di tracciare una linea continua che rappresenterà l’andamento della temperatura in un determinato periodo di tempo. Tale apparecchiatura prenderà il nome di termografo e lamina bimetallica.

Per evidenziare i valori estremi raggiunti dalla temperatura e di conseguenza l’escursione termica (differenza tra temperatura massima e minima) nell’arco di tempo di una giornata si usa il termometro a massima e a minima. Questo è formato da un bulbo dal quale parte un capillare di vetro a forma di gomito che poi si allunga formando una U, per terminare con un rigonfiamento. Il bulbo e una prima porzione del capillare, contengono alcool e all’interno di questo si trova immerso un indice, costituito da un cilindretto di acciaio, il quale resta fermo durante le dilatazioni del liquido, affinché questo possa scorrere tra le superfici dell’indice e del cannello di vetro. La porzione centrale del tubicino contiene mercurio, mentre nella parte terminale si trova ancora alcool, con immerso un altro indice. Quando la temperatura sale, l’alcool del bulbo si dilata e, lasciando fermo il primo indice, spinge il mercurio che sale lungo l’altro ramo del capillare spostando con il proprio menisco il secondo indice che rimane immerso nell’alcool. Viceversa, al decrescere della temperatura, l’alcool si comprime e per mezzo del menisco, che ha la consistenza di una vera e propria membrana, trascina con sé il primo indice.

La posizione degli estremi inferiori dei due indici indicano rispettivamente la temperatura minima (1° indice) e la temperatura massima (2° indice).

Dopo la lettura i due indici vengono riportati e contatto con i menischi del mercurio per mezzo di una piccola calamita.

L’igrometro è lo strumento che permette di misurare l’umidità atmosferica. I diversi tipi di igrometro prendono il nome di igrometro a capello, igrometro chimico e psicrometro.

L’igrometro a capello è costituito da un capello sgrassato che, fissato ad un estremo ed avvolto intorno ad una puleggia,provvista di un indice, reca all’altra estremità un peso che lo tiene teso. Quando l’umidità dell’aria aumenta , il capello si allunga facendo girare l’indice verso il basso. Il contrario si verifica quando l’umidità diminuisce.

Nell’igrometro chimico tubi di vetro a "U" contengono sostanze avide di vapor d’acqua che, pertanto, sottraggono dall’aria che passa attraverso essi . Per differenza di peso si determina la quantità di vapore acqueo contenuto in un volume noto d’aria.Un altro tipo di igrometro è quello rappresentato da un termometro a bulbo asciutto e da un termometro bagnato e che prende il nome di psicrometro. Lo psicrometro è, quindi, uno strumento costituito da due termometri. Il bulbo di uno di questi è avvolto da una striscia di mussola una estremità della quale pesca in una vaschetta contenente acqua. Quando c’è poca umidità l’acqua, che per capillarità bagna la mussola, evapora in maggior quantità. Evaporando, sottrae calore e il termometro con il bulbo bagnato segna una temperatura più bassa dell’altro. Dalla differenza delle due temperature, consultando apposite tavole, si può calcolare l’umidità relativa dell’aria. Inoltre la temperatura segnata sul termometro a bulbo bagnato rappresenta la temperatura di rugiada (o punto di rugiada).

Il più comune strumento per valutare la direzione del vento è la normale banderuola a vento. Essa punta nella direzione da cui questo spira. Ad esempio se il vento viene da occidente essa punterà la propria parte indicatrice, che spesso è rappresentata da una freccia, proprio verso est.

La velocità del vento viene misurata da uno strumento che prende il nome di anemometro. Ne esistono diversi modelli tutti costituiti da coppe rotanti fissate ad un perno centrale mediante raggi. Il più comune è dotato di tre coppette. Ogni coppetta altro non è che una semisfera cava. Il vento fa ruotare le coppe intorno all’asse, come una girandola, ad una velocità che è proporzionale a quella del vento stesso. Indipendentemente dalla direzione, più forte spira il vento, più velocemente ruotano le coppe. La velocità del vento viene determinata dal numero di giri che le coppe compiono in un determinato intervallo di tempo. Il moto viene poi trasmesso, mediante un dispositivo elettrico (spesso le coppe fanno ruotare un generatore elettrico, una dinamo), ad un contatore tarato sull’intensità del vento, posto all’interno delle stazione meteorologica.

Gli anemometri moderni sono costituiti, in genere, dall’associazione di un anemometro vero e proprio e di una banderuola.

Pluviometro – Nivometro

L’entità delle precipitazioni viene rilevata per mezzo di un pluviometro e di un nivometro. Un pluviometro standard raccoglie l’acqua piovana in una specie di imbuto la cui apertura è esattamente dieci volte più grande dell’apertura del cilindro in cui esso è inserito. Con questo accorgimento la quantità d’acqua viene, per così dire, ingrandita dieci volte.Se, ad esempio, nel cilindro collettore si sono accumulati 20 cm d’acqua piovana, la misura effettiva della precipitazione è di 2 cm (20/10 cm).