L’umidità atmosferica
Gli stati fisici dell’acqua
Nell’atmosfera è sempre contenuta una certa quantità di acqua, in parte
allo stato solido e liquido (nubi), in parte allo stato gassoso.
Quest’ultima deriva dall’evaporazione delle superfici liquide degli
oceani e delle acque continentali e dalla respirazione degli organismi
viventi. La quantità di vapore d’acqua (gas incolore, inodore, insapore,
invisibile) contenuta nell’aria costituisce l’umidità atmosferica.
Si concentra in gran parte nella bassa troposfera, ma è molto variabile
nel tempo e nello spazio.
L’acqua cambia facilmente stato fisico poiché la temperatura e la
pressione che si trovano nell’atmosfera sono vicine al suo punto triplo
(temperatura e pressione di una data specie chimica in cui le tre fasi di
stato possono coesistere).
Per l’acqua il punto triplo si ha ad una temperatura di 0,01°C e a una
pressione di 6 mb.
Le molecole che si trovano vicino a questo punto passano
facilmente da una fase all’altra. Ogni passaggio comporta
arricchimento o cessione di energia (evaporazione di 1 g di
acqua = 600 cal).
Le molecole di una massa d’acqua si agitano in relazione
all’energia cinetica che posseggono in relazione alla
temperatura ambientale. I loro legami di coesione sono molto
deboli; alcune molecole in prossimità della superficie
riescono a sfuggire all’attrazione delle molecole vicine e ad
acquisire una velocità sufficiente per vincere la pressione
sovrastante. Così passano alla fase aeriforme (evaporazione).
Con l’aumento del numero di molecole sfuggite al liquido, aumenta la
pressione che il vapore esercita sulla superficie sottostante (tensione di
vapore) e alcune molecole evaporate si riaggregano al liquido. La
forza crescente sulla superficie del liquido limita il numero di
molecole che vaporizzano. Fra i due processi si stabilisce un
equilibrio: il numero di molecole che vaporizzano è uguale a quelle
che si riaggregano alla massa liquida. La massa liquida e la massa
gassosa non variano più.
A quella temperatura l’aria è satura di vapor d’acqua.
Un successivo aumento della temperatura determina una diminuzione
della pressione del vapore a causa della dilatazione dell’aria, e quindi
un aumento di evaporazione, finché si ristabilisce l’equilibrio alla
nuova temperatura.
Una diminuzione della temperatura aumenta la pressione del vapore,
che provoca il passaggio allo stato liquido di una quantità di molecole
maggiore di quante se ne liberino (condensazione).
Il ciclo idrologico
Volumi espressi
in migliaia di kmc
Evaporazione annua: 455.000 kmc dagli
oceani; 62.000 dalle terre emerse =
517.000
Precipitazioni sugli oceani = 409.000
Sulle terre emerse: 108.000
Deflusso e rientro negli oceani: 46.000
Bilancio idrologico
terre emerse
P = D + ET + I
P = precipitazioni
D = deflusso superficiale
ET = evapotraspirazione
I = infiltrazione
EVAPORAZIONE => CONDENSAZIONE => PRECIPITAZIONE =>DEFLUSSO
Il ciclo idrologico è un continuo interscambio di umidità tra
l’atmosfera e la Terra
La quantità e il tasso di
evaporazione di una
superficie d’acqua
dipendono da tre fattori:
1. La temperatura
(dell’aria e dell’acqua)
a 10C° saturazione con 10 g di
vapore
a 25C° saturazione con 23 g
1. La quantità di vapore
acqueo già presente
nell’aria
2. Lo stato di quiete o di
movimento dell’aria
La misura dell’Umidità
1. UMIDITA’ ASSOLUTA = QUANTITA’ DI VAPORE
ACQUEO IN UN DATO VOLUME D’ARIA (g/m3)
2. UMIDITA’ SPECIFICA = QUANTITA’ DI VAPORE
ACQUEO IN UN DATA MASSA D’ARIA (g/kg)
3. UMIDITA’ RELATIVA = RAPPORTO TRA LA
QUANTITA’ REALE DI VAPORE ACQUEO NELL’ARIA E
LA MASSIMA QUANTITA’ DI VAPORE ACQUEO CHE
PUO’ ESSERVI
CONTENUTA (A UNA DATA
TEMPERATURA) (%)
vapore _ acqueo _ nell ' aria
Ur
100
capacità
L’umidità assoluta descrive quanto l’aria sia prossima alla saturazione
in vapore acqueo
Quando la temperatura cresce l’umidità relativa diminuisce
L’umidità assoluta
aumenta con
l’aumentare della
temperatura che
favorisce
l’evaporazione;
l’umidità relativa
aumenta con il
diminuire della
temperatura che
abbassa il punto di
saturazione
Sahara: UR 10%
Germania
(inverno):
UR 90%
La Condensazione (gas => liquido)
Perché avvenga la condensazione l’aria deve essere satura.
La saturazione si raggiunge o attraverso un incremento di vapore
acqueo o attraverso un raffreddamento dell’aria a un temperatura
inferiore al punto di rugiada (= temperatura alla quale viene
raggiunta la saturazione) (fenomeno più frequente)
Ur
vapore _ acqueo _ nell ' aria
100
capacità
Esempio:
Dati: Varia=1m3; Taria=20°C; massa vapore acqueo=10g
Con questa temperatura la capacità è di 20 g/m3
Ur = (10/20) x 100=50%
per arrivare alla saturazione o aggiungo 10 g di vapore
acqueo o abbasso la temperatura fino a circa 10°C
(capacità=10g)
La saturazione non è
sufficiente a causare la
condensazione (a causa della
tensione superficiale dell’acqua)
=> è necessaria una superficie
sulla quale si possa realizzare
la condensazione =>
PARTICELLE
IGROSCOPICHE E NUCLEI
DI CONDENSAZIONE
(polveri, fumo, sale, pollini,
etc.)
Goccia di pioggia: diametro da 1/10 di mm a 7 mm
Goccia di nuvola: 1/100 di mm
Goccia di nebbia: 20/1000 di mm
Le nubi
Nubi = insieme di minute goccioline d’acqua o di minuscoli
cristalli di ghiaccio.
Sono la sorgente delle precipitazioni
Svolgono un ruolo importante nel bilancio energetico globale
(assorbono, riflettono, diffondono, e irradiano sia l’insolazione sia la
radiazione terrestre)
La nebbia
Nebbia = nube ubicata nei pressi del suolo
Si sviluppa quando l’aria a contatto con la superficie terrestre si
raffredda fin sotto il punto il rugiada oppure quando ad essa viene
aggiunto vapore acqueo in quantità sufficiente a renderla satura
L’assetto delle nubi è spesso indice di stabilità dell’aria
Cumulo = Instabilità
Cumulonembo a torre = Forte instabilità
Nubi a sviluppo orizzontale = Aria stabile forzata a salire verso l’alto
Cielo sereno = Aria stabile immobile
Le caratteristiche dell’aria stabile e instabile
Aria instabile: temperatura
più calda rispetto all’aria
circostante
L’ascendenza atmosferica e le precipitazioni
Figura 6-27. I quattro tipi base di ascendenza atmosferica e di precipitazioni.
ALLUVIONI 2011
500 mm in sei ore
Correnti umide atlantiche entrano nel bacino del Mediterraneo
Fenomeni convettivi autorigeneranti
Impatto venti da nord con quelli da sud
Convergenza, convezione, effetti della morfologia
Brugnato 540 mm
(540 litri /mq)
LE PRECIPITAZIONI
Figura 6-22. Precipitazioni tramite la formazione di cristalli di ghiaccio nelle nubi (processo di Bergeron).
I processi di formazione
1.Tramite formazione di cristalli di ghiaccio
2. Tramite collisione e coalescenza delle goccioline
1.
La presenza di gocce d’acqua soprafusa in equilibrio
con la tensione del vapore circostante e di cristalli di
ghiaccio provoca la sublimazione su di essi di una
certa quantità di vapore. Per ristabilire la tensione di
vapore iniziale, evaporano altre gocce e il nuovo
vapore sublima sui cristalli di ghiaccio, che cadono
verso il suolo.
Questo processo spiega la maggior parte delle
precipitazioni al di fuori delle regioni tropicali
Le forme di precipitazione
1. Pioggia (acquazzoni; pioviggini)
2. Neve
3. Nevischio
4. Gelicidio
5. Grandine
A volte la pioggia deriva dalla fusione di
cristalli di ghiaccio che nella discesa
attraversano aria più calda
Grandine = nuclei sferici di ghiaccio
disposto in strati più o meno concentrici
di aspetto trasparente e opaco
T < 0°C
T > 0°C
Le dimensioni finali del chicco di grandine dipendono da:
Quantità di acqua soprafusa presente
Forza delle correnti ascendenti
Lunghezza totale del percorso del chicco all’interno della nube
LA DISTRIBUZIONE GLOBALE DELLE PRECIPITAZIONI
Le precipitazioni medie annue
A scala regionale le precipitazioni sono legate essenzialmente alla latitudine ma
intervengono molti altri fattori tra i quali la topografia
Aree contraddistinte da elevate precipitazioni annue
•Latitudini tropicali (alisei trasportano enormi quantità di umidità)
•Strette zone lungo la costa occidentale delle due Americhe comprese
tra i 40° e i 60° di latitudine
Aree contraddistinte da scarse precipitazioni annue
•Regioni aride alle latitudini sub tropicali (25°-30°)
•Regioni aride delle medie latitudini
•Deserti freddi delle alte latitudini
Le regioni costiere essendo molto vicine alle sorgenti di umidità
ricevono generalmente più precipitazioni delle regioni interne
Precipitazioni medie annue sui continenti nel mondo (isoiete)
Gli andamenti stagionali delle precipitazioni
Nelle aree interne le precipitazioni annue si verificano principalmente nei
mesi estivi
Le aree costiere hanno un regime di precipitazioni stagionali più bilanciato
Regole generali che possono essere desunte dalle carte:
1. Lo spostamento stagionale dei maggiori sistemi di pressione e venti
(verso Nord in luglio e verso Sud in gennaio) è rispecchiato dallo
spostamento delle zone aride e umide (vedi regioni tropicali)
2. L’estate è il periodo di precipitazione massima in quasi tutto il mondo
(eccezione: aree tra 35° e 60°)
3. La variazione più ampia delle precipitazioni stagionali si verifica
nelle regioni monsoniche (Asia meridionale e Orientale, Australia
Settentrionale, Africa occidentale) caratterizzate da estate molto
piovosa e inverno generalmente secco
Precipitazione media annua:
970 mm
Massimi Alpi Carniche e Giulie:
oltre 3000 mm
Italia meridionale:
meno di 500 mm
I processi adiabatici
•Le grandi masse d’aria possono raggiungere il punto di rugiada
solo raffreddandosi per espansione e cioè salendo verso l’alto (la
pressione diminuisce e così l’aria si espande e si raffredda
adiabaticamente)
•Quando una particella d’aria NON satura sale, si raffredda al tasso
di 10°C/km => GRADIENTE VERTICALE ADIABATICO
SECCO. Se si raffredda fino al punto di rugiada inizia la
condensazione (nubi). La quota alla quale ciò avviene è definita
LIVELLO DI CONDENSAZIONE PER SOLLEVAMENTO
•Se l’aria continua a salire
dopo che è avvenuta la
condensazione, il
raffreddamento continua ma
con un tasso inferiore
(6°C/km) => GRADIENTE
VERTICALE
ADIABATICO SATURO
N.B. I GRADIENTI
VERTICALI
ADIABATICI FANNO
RIFERIMENTO AD
ARIA ASCENDENTE O
DISCENDENTE.
IL GRADIENTE
TERMICO
VERTICALE MEDIO
(6.5°C/Km) SI
RIFERISCE AD ARIA
IMMOBILE
6°C/km
6.5°C/km
10°C/km
La rugiada
•Si genera a causa dell’irraggiamento terrestre
•E’ costituita da minuscole goccioline d’acqua che si condensano di
notte su varie superfici naturali e artificiali
•Se la temperatura si abbassa sotto il punto di congelamento => brina
Le piogge acide
• Connesse all’incremento nell’atmosfera degli OSSIDI DI AZOTO
(da scarichi dei veicoli a motore) e degli OSSIDI DI ZOLFO (da
emissioni di ciminiere)
• Le emissioni possono combinarsi con l’acqua atmosferica formando
l’ACIDO SOLFORICO e l’ACIDO NITRICO che raggiungono il
suolo
EFFETTI DIRETTI:
EFFETTI INDIRETTI:
1.
CORROSIONE
1.
2.
DEFOLIAZIONE
MAGGIOR SENSIBILITA’ A
STRESS CLIMATICI
2.
MAGGIOR SENSIBILITA’
ALL’ATTACCO DI PARASSITI
Il ciclo idrologico
EVAPORAZIONE => CONDENSAZIONE => PRECIPITAZIONE =>DEFLUSSO
Il ciclo idrologico è un continuo interscambio di umidità tra
l’atmosfera e la Terra
