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APPENDICE
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Le trasformazioni dell'acqua
Il calore latente
La saturazione dell'aria
La soprafusione
Il calore specifico
L'irraggiamento solare
Isotermia
L'energia del manto nevoso
L'influenza della luce e l'albedo
Le trasformazioni dell'acqua
Fondamentale, per capire i principi della formazione della neve e delle sue conseguenti
trasformazioni, aver ben presente le trasformazioni a cui una particella di H2O può essere
sottoposta.
L'acqua passa dallo stato liquido a quello gassoso attraverso l'evaporazione ottenendo il
vapore acqueo.
Viceversa il vapore acqueo (gas) può tornare allo stato liquido attraverso la condensazione.
Il passaggio dell'acqua dallo stato liquido a quello solido (ghiaccio) è chiamato congelamento
ed il processo inverso, da solido a liquido, fusione.
Queste sono le trasformazioni più note, ma ve ne sono di altro tipo:
il passaggio diretto da solido a vapore si chiama sublimazione;
il procedimento inverso (da gas a solido) si chiama sublimazione inversa.
Il calore latente
Il calore latente interviene nelle trasformazioni dell'acqua (ed in generale di ciascuna
sostanza) ed è così chiamato perché un termometro non registra variazioni di temperatura
anche se continuiamo a fornire calore.
Vediamo con un esempio di spiegare meglio la definizione: se ad 1 kg di ghiaccio a
temperatura di -10°C forniamo calore, la sua temperatura si innalza e possiamo seguirne
l'aumento sul termometro.
Questo innalzamento progressivo della temperatura si registra fino a quando il ghiaccio,
arrivato a 0°C, comincia a fondere.
Da questo momento, pur continuando a fornire calore, la temperatura rimane costante a 0°C
finché il ghiaccio non è fuso del tutto e solo dopo l'acqua ottenute dalla fusione ricomincerà ad
aumentare di temperatura.
Il calore "nascosto" è servito a movimentare le molecole, cioè a causare il passaggio dallo
stato solido a 0°C a quello liquido (la fusione del ghiaccio), ed è pari a circa 80 Kcal/Kg.
Nel congelamento avviene precisamente l'inverso: l'acqua arrivata a 0°C solidifica liberando
calore nel sistema circostante e finché c'è acqua liquida da solidificare la temperatura resta a
0°C.
Il calore latente interviene in tutti i passaggi di stato fisico.
Riassumiamo in una tabella la quantità di
- fusione di ghiaccio a 0°C
- evaporazione di acqua a 0°C
- sublimazione di ghiaccio a 0°C
calore in gioco:
80 Kcal/Kg
596 Kcal/Kg
596 + 80 = 676 Kcal/Kg
La saturazione dell'aria
L'aria non può contenere una qualsiasi quantità di vapore acqueo.
In generale si può affermare che:
“più una massa d’aria è fredda, meno essa può contenere acqua”
Ad una determinata temperatura, una massa d’aria può non contenere acqua, in nessuna
forma, ed allora la si definisce “secca” (umidità del 0%); oppure può contenere dell’acqua
solo sotto forma di vapore fino ad un valore massimo che risulta strettamente legato alla
temperatura della massa stessa ed in questo caso la si definisce “satura” (umidità del 100%).
Precisiamo la definizione di “aria satura”:
una massa d’aria è definita satura quando il numero di molecole di H2O che si
liberano dall’acqua liquida (o ghiacciata) in essa contenuta equivalgono quelle
che vi rientrano.
È da osservare che la quantità d’acqua, espressa in gr/mc (grammi / metro cubo), contenuta
in un metro cubo d’aria come vapore saturo cambia, oltre che come già sottolineato con la
temperatura, anche a seconda che il processo di trasformazione interessato è tra acqua <=>
vapore (evaporazione, per temperature > 0°C) o tra acqua <=> ghiaccio (congelamento, per
temperature < 0°C).
Nella tabella che segue sono riportati i diversi contenuti massimi di vapore per aria satura in
rapporto all'acqua (VSA) e al ghiaccio (VSG):
Temperatura -20
-18 -16 -14 -12 -10
-8
-6
-4
-2
0
10
20
30
Acqua VSA
1,08 1,29 1,50 1,74 2,04 2,38 2,74 3,16 3,65 4,21 4,83
9,3
17,1 30,3
Acqua VSG
0,89 1,08 1,28 1,52 1,81 2,15 2,53 3,99 3,52 4,13 4,83
9,3
17,1 30,3
È importante osservare che, per temperature inferiori a 0°C, VSG è sempre minore di
VSA con una differenza massima che si aggira attorno ai –14°C / -10°C.
Questa differenza è spiegabile tenendo presente la quantità di calore latente necessaria nelle
varie trasformazioni. Abbiamo infatti che:
GHIACCIO
ACQUA
GHIACCIO
=>
=>
ACQUA (fusione)
=>
=>
VAPORE (evaporazione)
VAPORE (sublimazione)
=>
80 Kcal/Kg
=>
596 Kcal/Kg
(80 + 596) = 676 Kcal/Kg
Quindi, a pari temperatura, attorno alle goccioline sopraffuse (liquide) la tensione di vapore
saturo (in pratica il numero di molecole) è maggiore che non attorno ai nuclei di ghiaccio, di
qui la maggior facilità per una molecola di H2O a passare allo stato di vapore a partire da
quello di liquido.
Questo fenomeno fisico, queste differenze di comportamento del vapore rispetto l’acqua ed il
ghiaccio, come vedremo successivamente, è la causa principale della trasformazione
dell’umidità delle nuvole in soffici fiocchi di neve in presenza di temperature < 0°C.
La soprafusione
La sopraffusione è un fenomeno fisico, a prima vista, difficile da capire. Questo fenomeno è
caratteristico dell'acqua , la quale ha un comportamento “diverso” quando si trasforma da
solido a liquido (fusione) rispetto la trasformazione inversa da liquido a solido (congelamento).
Abbiamo infatti che, mentre il ghiaccio fonde sempre quando la temperatura raggiunge il
punto di fusione (0°C a pressione normale), in ambiente in quiete assoluta e non inquinato da
polveri, l'acqua pura può rimanere liquida anche al di sotto del punto di solidificazione (0°C).
Si riscontra sperimentalmente che al suolo l'acqua può rimanere liquida fino a - 12°C circa,
mentre in aria (nelle nuvole) anche fino a – 40°C.
Tale equilibrio risulta però instabile ed il minimo urto o l'aggiunta di corpi estranei provoca
l'immediata solidificazione mentre la temperatura si innalza bruscamente fino a 0°C (ciò
dovuto all'emissione di calore, calore latente = 80 Kcal/Kg liberato nella trasformazione).
Il calore specifico
Il calore specifico è la quantità di calore necessaria per elevare di 1°C la temperatura di 1 kg
massa di una data sostanza; per l'acqua serve 1Kcal/Kg°C.
Esclusi elio ed idrogeno, tutte le altre sostanze naturali hanno valori inferiori, cioè a parità di
colore trasmesso l'acqua aumenta meno di temperatura rispetto la maggioranza delle sostanze
in natura.
Qualche esempio:
Acqua
0,98 – 1,0
Roccia, vetro
0,20 – 0,25
Ghiaccio
0,50
Carta e legno
0,50 – 0,60
Aria (a livello del mare)
0,22
Ferro
0,12
Come si evince dalla tabella, a parità di calore (Kcal) fornite ad 1 Kg di acqua, l Kg ghiaccio
aumenta la sua temperatura del doppio ed 1 Kg di ferro di otto volte.
Il calore specifico è importante sia per le interazioni sulla genesi dei cristalli di neve, sia sulla
loro metamorfosi una volta depositati a terra.
L'irraggiamento solare
L'irraggiamento solare è la quantità di calore che il sole, attraverso i suoi raggi, fornisce
all'ecosistema terrestre.
All'equatore, quindi per raggi incidenti perpendicolarmente, il sole fornisce ogni minuto 1,932
cal/cmq (cmq = centimetro quadrato).
Questo valore, alle nostre latitudini, deve essere mediamente ridotto a 0,5 cal/cmq (per
obliquità dei raggi ed altre cause).
Questo significa che ogni ora in un metro quadro il sole fornisce circa 300Kcal , sufficienti, ad
esempio, a fondere (300/80) circa 4 Kg di neve.
Isotermia
Il calore di un corpo dipende dall'energia cinetica delle sue molecole, in pratica dalla loro
velocità ed ampiezza di spostamento, e da questa energia, che contrasta la forza di coesione,
dipende lo stato fisico di una data sostanza: anche in un pezzo di ghiaccio le molecole sono in
vibrazione, ma l'energia non è sufficiente a vincere la coesione e l'acqua rimane solida; se lo
riscaldiamo il movimento diventa via via più veloce e più ampio e si passa alla fase liquida;
continuando a riscaldare tutta la massa passa allo stato di vapore dove le molecole, vinta la
coesione, sono svincolate l'una dall'altra e possono liberamente vagare nello spazio
circostante. Se raffreddiamo il vapore avviene necessariamente il processo inverso, da gas a
liquido per tornare al solido.
Immergendo una mano nell'acqua, si ha una sensazione di caldo se le molecole dell'acqua
hanno energia maggiore di quelle della nostra pelle (che ricevono impulsi più frequenti e più
intensi e quindi sono eccitate ad accelerare); viceversa se le molecole della pelle sono più
veloci è la mano a cedere energia, cioè calore, e la sensazione è di freddo. Il passaggio di
energia, quindi la sensazione di caldo o freddo, dura finchè non si raggiunge l'equilibrio, ossia
quando nella zona di contatto, dopo reciproche accelerazioni e rallentamenti, le molecole
hanno acquistata la stessa velocità. Raggiunto l'equilibrio non c'è più trasmissione di calore tra
i corpi a contatto e, se le misuriamo, risulta che le rispettive temperature sono eguali, per cui
si parla di condizioni di isotermia.
L'energia nel manto nevoso
L'energia interna di un manto nevoso, in pratica il suo bilancio termico, è data dalla somma
algebrica di varie componenti secondo la relazione del primo principio della termodinamica
Energia = L + R + Q
dove
L = energia meccanica derivata da un lavoro, quale la compressione (esempio classico
il riscaldamento della pompa per biciclette), che nella neve è notevole sia nei grossi
depositi da valanga o da vento, sia a monte di ostacoli che si oppongono al neviflusso,
ed anche lo strofinamento (metodo economico per riscaldarsi le mani), che agisce in
particolare nelle valanghe dove le velocità è elevata, mentre è trascurabile nel normale
neviflusso data la velocità minima.
R = energia radiante, che è positiva se il manto assorbe dall'ambiente circostante (ad
esempio la luce diurna) ed è negativa se è il sistema che emette radiazioni (vedi il
raffreddamento per irraggiamento notturno e la conseguente formazione di brina).
Q = calore scambiato con materiali a contatto con la neve (ad esempio l'aria, il terreno,
ecc.), con bilancio positivo se è la neve ad assorbire calore, negativo quando accade
l'inverso.
L’influenza della luce e l’albedo
La neve è bianca, salvo inclusione di inquinanti vari (sabbia del deserto, polvere, ecc.), perché
assorbe e riflette allo stesso modo tutte le lunghezze delle onde elettromagnetiche nel campo
del visibile (da 0,4 a 1,0 micron) che la colpiscono, quindi il suo colore è eguale a quello della
luce incidente e quella solare è appunto bianca.
Il 99% della luce visibile è assorbito dai primi 15 cm di neve e poco più sotto è il buio totale,
come testimoniano i sepolti in valanga superstiti.
Per l'ultravioletto (nella banda inferiore a 0,4 micron) la riflessione è totale, cosa che spiega
come sulla neve sia facile abbronzarsi anche stando all'ombra; viceversa l'infrarosso (banda da
1,0 a 10 micron, a più alto effetto termico) è praticamente tutto assorbito, ma oltre il 98%
viene nuovamente irradiato come infrarosso. Dopo una notte serena e in calma d'aria, la
perdita di calore per irraggiamento può essere tanto forte che, invece di un sostanziale stato di
equilibrio termico se non proprio di isotermia, la temperatura della neve in superficie può
essere anche di 10°C inferiore a quella dell'aria sovrastante; il fenomeno giustifica la rapidità
di crescita della brina di superficie e la formazione, su neve fresca, delle sottili croste friabili
che, presenti fino all'aurora, scompaiono al primo riscaldamento.
Il rapporto, in %, tra l'intensità della luce riflessa da un materiale e quella della luce ricevuta,
in fisica, viene chiamato albedo.
L'albedo della neve varia soprattutto in funzione della presenza di materiali estranei depositati
sulla superficie nevosa (mentre non risente delle variazioni di densità della stessa).
Come valori si passa da 0,9 (il 90 % della luce viene riflessa) per la neve fresca, bianca e
brillante, fino a 0,4 per neve primaverile grigiastra per deposito di polvere e detriti vari.
Assieme alla luce viene evidentemente riflesso anche il calore che essa trasporta, quindi
dall'albedo dipende non tanto la maggior o minor luminosità di un paesaggio, ma la durata
della copertura nevosa.
Da secoli l'effetto sporco viene sfruttato spargendo la cenere del focolare o altro davanti
all'uscio di casa per eliminare al più presto neve e ghiacco.
Vediamo con un esempio come funziona l'effetto "sporco":
supponiamo che in una giornata con aria limpida la luce solare apporti 2000 kcal/mq al
giorno;
con albedo 0,9 la neve riflette 1800 kcal (2000 * 0,9) ed assorbe solo le restanti 200
kcal;
quantità sufficiente per fondere 2,5 kg (200 : 80, dove 80 kcal/Kg è il calore di fusione)
di ghiaccio posto già a 0°C;
supponendo di avere neve assestata, quindi 500 kg/mc, questo calore porterebbe alla
fusione di 2,5 : 0,5 = 5 mm di spessore);
con albedo 0,4 il calore assorbito è di 1200 kcal, sufficienti a fondere (1200 : 80) = 15
kg (e la nostra neve perderebbe ben 30 mm di spessore).