Per ottenere un brevetto di volo o un'abilitazione al volo strumentale, un pilota deve dare prova della propria conoscenza della teoria meteorologica e dimostrare di sapere come si ottengono, interpretano e utilizzano i notiziari e le previsioni del tempo.
La conoscenza della struttura di base dell'atmosfera è importante per tutti i piloti, in particolare per coloro che operano su aeromobili ad alte prestazioni e che effettuano con regolarità voli su lunghe distanze e ad altitudini rilevanti. L'atmosfera non si divide in strati separati nettamente come un bicchiere riempito con liquori differenti, ma le sue caratteristiche cambiano effettivamente con l'altitudine, a volte bruscamente. Gli strati più importanti per i piloti sono la troposfera, la tropopausa e la stratosfera. La maggior parte degli eventi meteorologici come nubi, precipitazioni e rilevanti cambiamenti di temperatura avviene nella troposfera, che si estende dalla superficie terrestre sino a circa 7 miglia (11 km) di altitudine. La tropopausa è uno strato sottile sopra la troposfera. La corrente a getto, i cirri, la turbolenza in aria limpida, le scie di condensazione e gli strati di foschia in alta quota sono tutti fenomeni associati alla tropopausa. La stratosfera si trova sopra la tropopausa. Nella stratosfera la temperatura si mantiene pressoché costante, eccettuata una tendenza al riscaldamento vicino alla sommità.
Anche se l'atmosfera può trattenere un massimo pari a circa il 5% del proprio volume di vapore acqueo, modifiche anche piccole a questa percentuale, combinate con le fluttuazioni di temperatura e pressione, possono fare la differenza tra un limpido cielo blu e un invalicabile e scuro muro temporalesco. La differenza tra la temperatura dell'aria e la temperatura del punto di rugiada viene detta intervallo temperatura-punto di rugiada. Quando questo intervallo diminuisce, aumenta la probabilità di comparsa di nubi o nebbia. Anche se tale intervallo a livello del suolo è piuttosto ampio, la formazione di nubi è possibile perché la temperatura diminuisce con l'altitudine.
Una nube è un aggregato visibile di minute particelle di acqua o ghiaccio sospese nell'aria. Una nube può essere composta interamente di acqua allo stato liquido, cristalli di ghiaccio o di un misto delle due condizioni. Le nubi si formano quando l'aria diviene satura, ovvero quando l'umidità relativa raggiunge il 100%. La saturazione interviene perché la temperatura dell'aria diminuisce, perché il punto di rugiada aumenta o per entrambi i motivi. Il raffreddamento è di gran lunga il fattore predominante nella formazione delle nubi.
Gli oceani e i laghi più vasti aggiungono vapore acqueo all'aria. Quando i venti prevalenti spostano l'aria sopra l'acqua è facile aspettarsi un basso livello delle nubi, nebbia e precipitazioni, in particolare quando sono presenti venti umidi che soffiano con una certa inclinazione dal basso verso l'alto.Anche un piccolo lago può causare una fluttuazione quotidiana nella nuvolosità. Durante il giorno l'aria fredda soffia dal lago verso la terra e si ha la formazione di nubi convettive sopra la terra stessa. Di notte il procedimento si inverte. Le nubi tendono a formarsi sopra il lago perché l'aria fredda che si trova sopra la terra fluisce sopra il lago, creando nubi convettive sopra l'acqua.
Le nubi forniscono le migliori indicazioni su movimento, stabilità e contenuto di umidità dell'aria. Le nubi possono aiutare a interpretare le condizioni del tempo e a evitare pericoli di origine meteorologica.
Quattro famiglie di nubi
I meteorologi dividono le nubi in quattro famiglie generiche:
Nubi alte (cirriformi). Questa famiglia include cirri, cirrocumuli e cirrostrati. Le nubi alte sono composte quasi interamente di cristalli di ghiaccio. La quota delle loro basi può trovarsi tra i 16.500 e i 45.000 piedi (5.000-13.700 m) alle latitudini medie.
Nubi medie. Questa famiglia include altostrati, altocumuli e nembostrati. Le nebbie medie sono composte principalmente d'acqua allo stato liquido, spesso in acqua sopraffusa. Il relativo livello va dai 6.500 ai 23.000 piedi (1.980-7.000 m) alle latitudini medie.
Nubi basse. Questa famiglia include strati, stratocumuli e cumuli con condizioni di bel tempo. Le nubi basse sono composte quasi interamente d'acqua, ma a volte contengono acqua sopraffusa. Le nubi basse a temperature inferiori a quella di congelamento possono contenere anche particelle di neve e ghiaccio. Il livello di queste nubi si trova tra la superficie terrestre e i 6.500 piedi (1.980 m) alle latitudini medie.
Nubi a sviluppo verticale. Questa famiglia include le nubi a torre: cumuli e cumulonembi. Tali nubi contengono normalmente acqua sopraffusa a temperatura inferiore al livello di congelamento. Quando un cumulo si sviluppa ad altitudini rilevanti l'acqua nella parte superiore della nube congela in cristalli di ghiaccio, formando un cumulonembo. Il livello delle nubi cumuliformi va dai 1.000 piedi (300 m) o meno ai 10.000 piedi (3.000 m).
Le precipitazioni possono avvenire sotto forma di pioviggine, pioggia, neve, palline di ghiaccio, grandine e cristalli di ghiaccio. Una precipitazione ha luogo quando le gocce o particelle aumentano di dimensioni e peso sino al punto in cui l'atmosfera non riesce più a mantenerle in sospensione.
Dopo la formazione una gocciolina o un cristallo di ghiaccio possono crescere a causa di ulteriore condensazione o di sublimazione, oppure a causa della fusione con altre goccioline o cristalli. Condensazione e sublimazione sono relativamente lente e di solito causano pioviggine oppure pioggia o neve molto leggera. La fusione è più veloce della condensazione o sublimazione e produce precipitazione di gocce o particelle più grandi. La fusione di gocce in medie correnti dirette verso l'alto produce pioggia o neve, da leggera a moderata. Le correnti ascensionali forti consentono la formazione delle gocce più grandi e causano lo sviluppo di nubi di grande altezza. Tali nubi possono causare forte pioggia, violente nevicate e grandine.
Le precipitazioni che si formano e rimangono allo stato liquido causano pioggia o pioviggine. La sublimazione forma fiocchi di neve. Una precipitazione può tuttavia cambiare il suo stato. La neve in caduta può sciogliersi incontrando strati d'aria più calda alle altitudini inferiori e diventare pioggia. La pioggia in caduta attraverso aria più fredda può diventare acqua sopraffusa e congelare all'impatto o congelare durante la discesa, trasformandosi in ghiaccio in palline. Le palline di ghiaccio indicano sempre pioggia al punto di congelamento a un'altitudine superiore.
Per produrre precipitazioni significative le nubi devono essere normalmente spesse almeno 4.000 piedi (1.200 m). Più è pesante la precipitazione, più spesse sono le nubi. Quando si vola o si decolla da un aeroporto in cui si segnalano precipitazioni leggere o di maggiore intensità ci si deve aspettare che le nubi abbiano uno spessore superiore ai 4.000 piedi (1.200 m).