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Stabilità dell’atmosfera umida La condensazione del vapore in una particella d’aria produce calore che ne aumenta la temperatura. Il moto ascensionale non è più adiabatico. La temperatura potenziale non è più conservata πθ Γ < Γπ· e/o ππ§ > 0 non garantiscono la stabilità dell’atmosfera umida (fig.4.5) perché l’aumento di temperatura potenziale potrebbe diventare maggiore di quello con la quota nell’ambiente circostante (instabilità condizionata) Temperatura potenziale equivalente: la temperatura potenziale che la particella d’aria avrebbe se tutto il suo vapore acqueo condensasse e il calore fosse utilizzato per aumentarne energia interna. In formula θπ = θπ πΏππ ππ π πθπ >π ππ§ πθ >0 ππ§ Aria secca stabile Aria satura stabile πθ <0 ππ§ Aria secca instabile Aria satura stabile πθπ < π ππ§ Atmosfera stabile impossibile Aria secca stabile Aria satura instabile Aria secca instabile Aria satura instabile Atmosfera condizionatamente instabile Atmosfera instabile Altre condizioni di instabilità L’umidità può alterare direttamente la buoyancy senza avvenga la condensazione (tropical oceans). Un profilo di temperatura neutro quando l’umidità decresce con la quota potrebbe avere la temperatura virtuale che diminuisce con la quota e quindi essere instabile Evaporazione di gocce di pioggia che attraversano strati di aria non satura, ne diminuiscono la temperatura e possono produrre a «Cold downdraft» Nuclei di condensazione π 2πΎππ€ 1 ∗ π€π π π • La pressione di condensazione dipende dalla curvatura della superficie al cui contatto avviene: ππ π π = π ∞ • • • • dove π∞ rappresenta il valore limite per una superficie piana. Se si considera un gruppo di molecole assemblate dal moto browniano ( r= 0.5β10-9m) si ottiene che la condensazione avviene a circa 800% di umidita relativa (supercondensazione, valore limite per aria pura). Attorno a una particella di aerosol o una gocciolina d’acqua di 0.1µm la condensazione inizia a un più modesto 101% ο Particolato, aerosol, piccole goccioline agiscono da nuclei di condensazione nell’atmosfera reale La condensazione attorno a particelle d’acqua che contengono materiali solubili (quali sale marino) può aver luogo anche prima di raggiungere la saturazione (per una gocciolina di 0.1µm all’umidità relativa dell’85% se contiene 10-15g di sale marino). La condensazione ne fa tuttavia aumentare le dimensioni e quando esse si avvicinano a 1µm una lieve sovrasaturazione 100,1% è sufficiente per la condensazione. L’effetto del materiale disciolto diminuisce all’aumentare della dimensione del nucleo di condensazione (figura 4.6) Una gocciolina di acqua pura di raggio a partire di 0.1µm richiede sovrasaturazione per continuare a crescere (anche se di valore modesto e progressivamente decrescente). La stessa gocciolina di acqua se contaminata con sale marino inizialmente cresce anche in condizioni di sottosaturazione, ma richiede sovrasaturazione se le sue dimensioni crescono apprezzabilmente (> 1-10 µm ). Le differenze di crescita diventano piccole e la crescita in pratica trascurabile se le goccioline superano i 10µm di raggio (figura 4.6) La condensazione non spiega la velocità a cui le goccioline aumentano le loro dimensioni nelle nubi aerosol • Aerosol giganti: dimensioni di circa 10µm; sono prodotti da combustione (incendi, ma anche industriale) e processi crostali (azione meccanica del vento) ; rimossi dalle piogge (deposizione umida) e dalla sedimentazione (deposizione secca) per effetto della gravità; tipicamente persistono in atmosfera da alcune ore a 1 giorno, concentrazioni numeriche tipicamente basse (<107/m3)rispetto agli altri aerosol • Grandi aerosol: dimensioni di circa 1µm; sono costituti da sali marini, pollini, residui di combustione; vengono rimossi dalle piogge; tipicamente persistono in atmosfera per alcuni giorni, anche fino a 1mese, concentrazioni tipiche da 107 a 109/m3 • Nuclei di Aitken: dimensioni di 0.1µm o inferiori. Sono prodotti da attività industriali, traffico, combustioni; sono rimossi dalle piogge e catturati in goccioline nelle nubi, coagulano in aerosol di dimensioni maggiori. In quanto tali persistono in atmosfera per circa un’ora; concentrazioni tipiche da 1010 fino a 1012/m3 in aree urbane L’atmosfera nelle zone industriali contiene principalmente Aitken nuclei di Aitken e in misura minore aerosol giganti. L’atmosfera continentale contiene in proporzioni confrontabili aerosol giganti e nuclei di Aitken, L’atmosfera marina contiene principalmente grandi aerosol, ma in basse condensazione rispetto alle zone industriali, e costituiti da sali marini (la loro concentrazione dipende molto dalla velocità del vento, da 106 a 108/m3) Goccioline d’acqua nelle nubi Le nubi contengono di raggio compreso fra 1 e 100 µm (dipende dal tipo di nube) . Le goccioline d’acqua hanno una velocità di caduta che aumenta con le dimensioni (tabella 4.2). Mentre una gocciolina di 5µm in un’ora perderebbe solamente 10m di quota e può persistere a lungo sospesa nell’aria, una di 50 percorrerebbe quasi 1km. Particelle di acqua di dimensioni maggiori persistono in aria solo in presenza di intensi movimenti verticali. Quando le loro dimensioni non ne consentono più la permanenza in aria cadono come pioggia. Le goccioline di pioggia hanno dimensioni variabili fra i 250 e i 5000µm. La tabella 1.4 mostra come esse possano restare in aria solo in presenza di moti verticali estremamente violenti. La e goccioline di pioggia si formano in pochi minuti. La loro crescita si spiega con la condensazione solo nelle fasi iniziali, e successivamente avviene per collisioni e coalescenze che ne aumentano progressivamente le dimensioni (eq.4.14-15 e fig.4.8) ππ π£ππΏ πΈπ = ππ‘ 4π π€ Il tasso di crescita del raggio è proporzionale alla sua velocità relativa all’ambiente circostante: goccioline grosse crescono più velocemente. Sintesi: la conversione dell’acqua delle nubi in pioggia dipende da: Le dimensioni delle goccioline, la quantità di acqua presente, lo spessore della nube, le correnti ascensionali
