NOCCHIERO

Nocchiero
Appunti di meteorologia a cura del Prof. Natalino Usai
Le Nubi
La nuvola
In meteorologia una nuvola, nel linguaggio scientifico chiamata più comunemente nube,
è un‘idrometeora costituita da minute particelle d'acqua, cristalli di ghiaccio o
entrambe le cose, sospese nell‘atmosfera e solitamente non a contatto con il suolo. La
branca della meteorologia che studia le nuvole e i fenomeni ad esse collegati è detta
nefologia.
Comunemente si parla di nubi per quanto riguarda masse visibili sopra la superfice
terrestre, ma ugualmente si formano nubi anche su altri corpi planetari o satelliti.
Centrale
di controllo
Possono formarsi strutture simili a nuvole anche nello
spazio
interstellare, ma in
questo caso non si tratta di agglomerati di gocce di vapore acqueo. Si parla in questo
caso di nubi interstellari.
Le nubi sono rappresentative – e sono a loro volta causa – di complessi fenomeni
meteorologici, quali la pioggia, la neve e la grandine. Per analogia di forma il
termine è stato esteso anche a esalazioni di fumo nell'atmosfera od accumuli che
possono essere di polvere, sabbia o insetti.
Dal punto di vista della termodinamica le nubi rappresentano l'aspetto visivo di
fenomeni che avvengono all'interno di un fluido gassoso noto come atmosfera; le
grandezze in gioco sono: temperatura, umidità, pressione.
Formazione
Le nubi sono prodotte dalla condensazione del vapore generato
Apparato motore
dall’evaporazione dell’acqua sulla superficie terrestre (contenuta nei
mari, laghi, fiumi, etc.) a causa del riscaldamento solare. Il fenomeno,
per quanto complesso, si può riassumere come segue:
A causa dell'irraggiamento solare la temperatura della superficie
terrestre aumenta. Per conduzione termica il suolo caldo scalda anche
l’aria a contatto con esso. Poiché l'aria calda è più leggera di quella
fredda, essa si solleva generando una corrente ascenzionale e portando
con sé l‘umidità contenuta. Salendo, l'aria si raffredda adiabaticamente,
raggiungendo il punto di saturazione del vapore, il quale pertanto si
trasforma in minuscole goccioline di acqua, che galleggiano nell'aria,
formando per l'appunto le nubi. Se la temperatura è particolarmente
bassa, queste si trasformano in microscopici cristalli di ghiaccio.
Nel dettaglio, ciò avviene per i seguenti motivi:
Centrale al
elettrica
L'aria viene raffreddata
di sotto del suo punto di saturazione. Ciò
avviene quando l'aria arriva a contatto con una superficie fredda, o
viene raffreddata adiabaticamente, quando cioè l'aria, muovendosi verso
l'alto, si raffredda. Ciò può avvenire nei seguenti casi:
Lungo un fronte meteorologico, caldo o freddo. In questo caso l'aria
fredda, più densa, scorre sotto l'aria calda, con la conseguente
formazione di ammassi nuvolosi.
Quando l'aria soffia lungo il versante di una montagna e si raffredda
progressivamente mentre sale verso gli strati più alti dell'atmosfera.
Per convezione, quando una massa d'aria calda si solleva a causa del
Tunnel dell’elicaIl riscaldamento è di solito dovuto
Locale
pompe
riscaldamento.
all'irraggiamento
solare, ma può essere anche causato da incendi.
Quando aria calda giunge in contatto con una superficie più fredda, come uno specchio
d'acqua fredda.
Le nubi possono formarsi anche quando due masse d'aria al di sotto del punto di
saturazione si mescolano, ad esempio le nuvolette prodotte dal fiato quando c'è aria
fredda, le scie degli aerei o il "fumo di mare" dell'Artide.
L'acqua in una nuvola tipica può avere una massa fino a parecchi milioni di
tonnellate. Comunque, il volume di una nuvola è anch'esso molto grande e la densità
dell'aria relativamente calda che trattiene le goccioline d'acqua è più bassa di quelle
sottostante, per cui l'aria scorre al di sotto di essa ed è capace di tenerla in
sospensione. Le condizioni all'interno di una nuvola non sono comunque stabili: le
goccioline (che hanno un raggio dell'ordine di 10 µm) si formano ed evaporano in
continuazione.
Le goccioline si formano principalmente quando una particella di pulviscolo agisce da
nucleo di condensazione; quando si ha una condizione di supersaturazione vicina
all'800% le goccioline d'acqua stesse possono agire da nuclei di condensazione, ma si
tratta di una condizione relativamente rara.
Il processo di crescita delle gocce d'acqua in condizioni di saturazione e descritto
matematicamente dall'equazione di Mason.
Le goccioline possono formare precipitazioni solo quando diventano sufficientemente
grandi e pesanti da cadere giù dalla nuvola.
Questo può avvenire in due modi. Il principale, responsabile della maggior quantità
delle precipitazioni alle medie latitudini, si chiama processo Bergeron-Findelsen, nel
quale le goccioline d'acqua sopraffuse e cristalli di ghiaccio in una nuvola
interagiscono per formare un rapido accrescimento del cristallo di ghiaccio: questi
cristalli cadono dalla nuvola e possono sciogliersi mentre cadono.
Il processo avviene nelle nubi che hanno una sommità con una temperatura inferiore a
-15 °C (258,15 K). Il secondo processo, detto di coalescenza, più comune nelle zone
tropicali, avviene in nubi più calde ed è prodotta dalla collisione delle goccioline
d'acqua più grandi con goccioline più piccole che vengono così inglobate.
Il processo risulta efficace soprattutto quando la nuvola ha un'elevata densità.
Finché le correnti d'aria nella nuvola e quelle che scorrono sotto riescono a
mantenere in sospensione le goccioline, esse continueranno a ingrandirsi; raggiunta la
sommità della nuvola, dove le correnti ascendenti divergono, le goccioline ricadono
verso il basso a causa della forza di gravità e poi vengono nuovamente portate verso
l'alto, creando continui saliscendi, che fanno ulteriormente incrementare le
dimensioni delle goccioline.
Quando esse raggiungono dimensioni di circa 200 µm, le correnti ascensionali non
possono più sostenerle e, quindi, possono solo cadere: se la nuvola è molto alta e il
numero di goccioline urtate è elevato, le gocce possono raggiungere un diametro di 0,52 mm o anche di più e allora cadono direttamente come pioggia.
Classificazione
Nel XIX secolo esisteva un metodo di classificazione più complesso e articolato
dell'attuale che prevedeva nomi latini per le nubi e che sta alla base di quello
odierno.
Questo sistema è stato approntato dal farmacista e chimico quacchero trentenne Luke
Howard (1803, Conferenza Askesiana di Londra).
Questo sistema di classificazione sfrutta alcune osservazioni fatte in precedenza da
Ferdinando II di Toscana e dal principe Karl Theodor.
Nella loro pressoché infinita varietà (di forme, trasparenza, altezza, ecc.) si possono
individuare quattro tipi fondamentali di nubi, i cui nomi sono poi usati per una
classificazione più precisa:
i cirri, che appaiono come filamenti lunghi e bianchi; sono costituiti da cristalli di
ghiaccio che li rendono traslucidi, e grazie alla loro disposizione si può sapere la
direzione del vento in quota.
i cumuli (o cumoli) che appaiono come grumi o globuli, isolati o a gruppi, di dimensioni
e forme diversissime, bianchissimi ove colpiti dalla luce del sole, grigiastri ove
all'ombra; sovrastano una corrente ascensionale;
gli strati, spesso di estensioni notevoli;
i nembi, la cui base appare grigia scura e che sono portatori di pioggia.
Sulla base dei tipi fondamentali sopra visti, si conviene classificare le nubi secondo
l'altezza della loro base dal suolo in tre gruppi e dieci tipi: nubi alte (prefisso cirro), nubi medie (prefisso alto-), nubi basse (prefisso strato-) e nubi a sviluppo verticale
(prefisso cumulo-).
Nubi alte
Formazioni nuvolose con base (nelle regioni temperate) tra gli 8000 ed i 14000 m, sono le
nubi più fredde, composte essenzialmente da cristalli di ghiaccio che le rendono
traslucide; dalla loro disposizione si può sapere la direzione del vento in quota
(perpendicolarmente alle strisce, verso la direzione delle gobbe); come già accennato
sono caratterizzate del prefisso "cirro-".
Cirri (Ci) Cirrocumuli (Cc) Cirrostrati (Cs)
Cirri
Cirrocumuli
Cirrostrati
Nubi medie
Sono formazioni nuvolose con base (nelle regioni temperate) tra i 2000 ed gli 8000 m.
Sono essenzialmente composte da gocce d'acqua o da un miscuglio di gocce d'acqua e
cristalli di ghiaccio. Sono caratterizzate dal prefisso "alto-".
Altocumuli (Ac)
Altostrati (As)
Altocumuli
Altostrati
Nubi basse
Formazioni nuvolose con base (nelle regioni temperate) sotto i 2000 m, sono
essenzialmente composte da gocce d'acqua. Quando le nubi basse giungono in contatto
col terreno si parla di nebbia. Sono caratterizzate dai prefissi e suffissi "nembo-" e
"strato-".
stratocumuli (Sc)
Strati (St)
nembostrati (Ns)
stratocumuli
Strati
nembostrati
Nubi a sviluppo verticale
Formazioni nuvolose verticali. Sono le nubi più turbolente e sovrastano le correnti
ascensionali. Nelle loro forme più grandi (cumulonembi), possono raggiungere dimensioni
enormi, coprendo intere regioni e portando violente precipitazioni e temporali. Questi
tipi di nubi non sono classificati insieme agli altri per altezza perché hanno appunto
un grande sviluppo verticale.
Cumuli (Cu)
Cumulo congesto o torreggiante (Tcu)
Cumulonembi (Cb)
Cumuli
Cumulonembi
Cumulo congesto o
torreggiante
Le precipitazioni
L'acqua è il liquido più diffuso e la sostanza più importante sulla Terra: la usiamo per
bere, per lavarci, in essa nuotiamo e ci lamentiamo quando piove...
L'acqua influisce sulla nostra vita in molti modi: anzitutto determina dove possiamo
vivere, il tempo che farà, se possiamo quindi far crescere il raccolto e produrre
abbastanza cibo. Grandi quantità d'acqua vengono usate anche nell'industria, per esempio
nei processi di raffreddamento delle grandi centrali elettriche o come solvente. Vi
sono immense quantità di acqua raccolte negli oceani e nei mari; solo una piccola
percentuale si trova sui continenti, ma anch'essa proviene in ultima analisi dall'oceano,
cui è destinata a tornare portata dai fiumi.
L'irraggiamento solare provoca l'evaporazione dell'acqua nell'aria da fiumi, laghi ed
oceani. Questo vapore acqueo, innalzandosi, si raffredda e condensa formando goccioline
d'acqua raccolte in nuvole.
Quando le gocce sono abbastanza grosse, cadono sulla terra sotto forma di pioggia. In
parte quest'acqua evapora e ritorna nell'aria, in parte viene utilizzata dalle piante;
ma la quantità più cospicua filtra attraverso il terreno, o si riversa nei fiumi
sfociando infine nel mare. L'intero ciclo ricomincia quindi da capo.
Questo movimento continuo di acqua dalla superficie della terra alle nuvole e quindi di
nuovo alla terra sotto forma di pioggia è chiamato ciclo dell'acqua (hydrologic cycle). A
livello planetario il ciclo dell'acqua è strettamente connesso ai grandi flussi di
energia nell'atmosfera. Il volume totale di acqua nell'atmosfera è stato stimato in
circa 1.3 x 10 13 m 3 (13 mila km 3 ), la gran parte nella fase di vapore; di contro gli
oceani contengono circa 1.35 x 10 18 m 3 di acqua (1350 milioni di km 3 ).
Il rapporto tra i volumi di acqua nell'atmosfera e negli oceani è 1/100000, all'incirca lo
stesso del rapporto tra l'acqua contenuta in un ditale e quella in una vasca da bagno.
Ciononostante il vapor d'acqua atmosferico è uno dei più importanti fattori nel
determinare il tempo ed il clima, soprattutto per la grande quantità di energia messa
in gioco quando l'acqua cambia il suo stato di aggregazione tra la fase gassosa (vapore),
liquida e solida, e per il suo contributo come gas responsabile dell'effetto serra.
Il riscaldamento differenziato della superficie della Terra da parte del Sole crea le
condizioni che sono alla base dei grandi trasferimenti di masse d'aria tra equatore e
poli: mentre le regioni equatoriali ricevono più calore di quanto non ne perdano, le
zone più vicine ai poli perdono più calore di quanto non ne ricevano. Due fondamentali
correnti di convezione di alta quota (simmetriche, dall'equatore verso i due poli)
distribuiscono in maniera più equilibrata il calore.(I trasferimenti d'aria determinati
dalle differenze di pressione sono i venti).
Un ruolo importante in questo trasporto di calore e quindi di energia è legato
all'acqua, che evapora nelle zone equatoriali, viene trasportata a seguito delle masse
d'aria verso i poli sotto forma di vapore, condensa nelle nubi, precipita sotto forma di
pioggia o neve che la riportano di nuovo sulla superficie terrestre e quindi nei mari.
Il concetto di umidità controlla il tasso di evaporazione, la formazione delle nubi, il
tempo ed il luogo delle precipitazioni. L'umidità indica la quantità di vapor acqueo
nell'atmosfera: i principali contributi sono l'evaporazione dalla superficie della terra
e la traspirazione delle piante. Le precipitazioni sono a loro volta il fenomeno che
diminuisce la presenza di acqua nell'atmosfera.
I meteorologi hanno definito diversi modi per indicare l'umidità, che possono essere
divisi in due categorie: quelli che esprimono la quantità effettiva, o concentrazione, di
vapor acqueo nell'aria e quelli che mettono in relazione la quantità effettiva presente
con la quantità potenziale che l'aria potrebbe contenere se fosse satura di vapore.
L'aria si dice satura quando contiene la massima quantità possibile.
Il ciclo dell’acqua
Le precipitazioni non sono altro che Idrometeore che precipitano sulla superficie
terrestre a causa dell’aumento di peso che consente loro di vincere le correnti
ascendenti.
Passaggi di stato
Evaporazione
– Passaggio dell’acqua dallo stato liquido allo stato gassoso.
Dai mari, dai fiumi, dai terreni bagnati, e da tutti gli organi viventi, l’acqua
riscaldandosi evapora e risale verso l’alto.
Condensazione – Passaggio dell’acqua dallo stato gassoso allo stato liquido.
Nel salire verso l’alto il vapore acqueo incontra strati d’aria a temperatura
inferiori ritornando allo stato liquido.
Solidificazione – Passaggio dallo stato liquido allo stato solido.
Se le goccioline d’acqua continuano a salire, a causa delle correnti ascendenti,
incontrando strati d’aria più fredda si trasformano in ghiaccio.
Sublimazione – Passaggio dallo stato gassoso a quello solido
Se nel salire verso l’alto, il vapore acqueo incontra strati con una notevole
differenza di temperatura passa direttamente allo stato solido (ghiaccio)
Liquefazione – Passaggio dallo stato solido a quello liquido.
Nel ricadere verso il suolo un’idrometeora allo stato solido può incontrare strati
d’aria più caldi trasformandosi in liquido.
Dimensioni delle idrometeore
Pioggia
d > 0.5 mm
Piovigine
d < 0.5 mm
Neve
d = 2 – 5 mm
Nevischio
d < 1mm
Grandine
d = 5 – 50 mm
Tensione di vapore – Tendenza delle molecole d’acqua ad abbandonare la massa liquida
dell’acqua.
Velocità di evaporazione – Numero di molecole che abbandonano lo stato liquido
nell’unità di tempo.
Livello dei passaggi di stato
Livello delle idrometeore
Solidificazione
Ghiaccio
Cirri
0°C
* * ** * ** ** ** * ** * * *
* ** * * ** * * *** **
*
* *
*
Condensazione
Cumuli
Evaporazione
*
* * * * * * * * * *
*
* * *
*
*
* * * * * * * * **
*
* * * * * *
*
Neve
Nevischio
Pioggia
Piovigine
Il temporale
Rovescio che si manifesta nella fase di sviluppo di un cumulonembo
Le fasi :
Formazione – La fase di formazione coincide con la formazione di un cumulonembo estivo
e duradai 10 ai 15 minuti. Le correnti ascenzionali che formano la nube possono
raggiungere la velocità di 100 km/h.
Sviluppo – Nella fase di sviluppo la nube raggiunge la sua massima altezza (8 – 10 km).
Nella parte alta della nube le idrometeore hanno raggiunto dimensione e peso notevoli e
precipitano al suolo raggiungendo notevoli velocità (fini a 50 km/h).
Dissolvimento – Le correnti ascenzionali si esauriscono e prevalgono i moti discendenti
che chiudono le precipitazioni che passa da rovescio a moderata e infine debole. Il
cumulonembo si sfilaccia a partire dalla parte superiore fino a scomparire.
Sviluppo
Fase di formazione
Dissolvimento
La grandine
La grandine è un fenomeno che si può associare ad un rovescio temporalesco, infatti
viene generato dallo stesso tipo di nube ( cumulonembo) e come il temporale ha una
breve durata.
Quando il cumulonembo è molto alto, le idrometeore nella parte alta si ghiacciano. Nel
precipitare verso il basso, se incontrano forti correnti ascendenti, vengono rimandate
in alto dove, incontrando nuovamente strati freddi, acquisiscono un ulteriore strato
che le fa ingrossare.
Alla fine il volume dell’idrometeora è talmente grossa e pesante che precipita al
suolo senza riuscire a liquefarsi.
La nebbia
La nebbia è il fenomeno meteorologico per il quale una nube si forma a contatto con il
suolo. È costituita da goccioline di acqua liquida o cristalli di ghiaccio sospesi in
aria. A causa della diffusione della luce solare da parte dell'acqua in sospensione, la
nebbia si manifesta come un alone biancastro che limita la visibilità degli oggetti.
Secondo l'Organizzazione meteorologica mondiale, l'espressione nebbia (indicata FG,
dall'inglese fog) si applica quando la visibilità è inferiore ai 1000 metri. Per
visibilità da 1000 a 5000 metri si usa foschia (indicata BR, dal francese brume).
Le particelle solide o liquide sospese in aria (aerosol atmosferico) possono comportarsi
da nuclei di condensazione per l'acqua, favorendo la formazione di nebbia. Per questo
motivo, nelle aree urbane, dove le emissioni inquinanti sono maggiori, le nebbie sono
più frequenti.
La nebbia inizia a formarsi quando l'umidità relativa di una massa d'aria raggiunge il
100%, ovvero quando si ha saturazione del vapore acqueo in essa contenuto. A seconda dei
meccanismi con cui si raggiunge questa condizione, si parla di:
Le particelle solide o liquide sospese in aria (aerosol atmosferico) possono comportarsi
da nuclei di condensazione per l'acqua, favorendo la formazione di nebbia. Per questo
motivo, nelle aree urbane, dove le emissioni inquinanti sono maggiori, le nebbie sono
più frequenti.
La nebbia inizia a formarsi quando l'umidità relativa di una massa d'aria raggiunge il
100%, ovvero quando si ha saturazione del vapore acqueo in essa contenuto. A seconda dei
meccanismi con cui si raggiunge questa condizione, si parla di:
Nebbia da irraggiamento: si forma generalmente dopo il tramonto, dopo che il suolo ha
ceduto calore allo spazio tramite irraggiamento, raffreddandosi, assorbe calore
dall'aria più a contatto con la superficie (generando inversione termica). La
temperatura degli strati d'aria prossimi al terreno si abbassa sino a raggiungere la
temperatura di rugiada permettendo la condensazione di goccioline di acqua liquida. La
nebbia da irraggiamento è tipica delle notti con cielo sereno (effetto serra da parte
delle nubi limitato) e vento poco intenso.
Nebbia da avvezione: si forma quando l'aria umida passa per avvezione, movimento
orizzontale dei flussi d'aria sopra il terreno freddo e viene così raffreddata. Questo
fenomeno è frequente sul mare quando l'aria tropicale incontra ad alte latitudini
acqua più fredda. È anche comune il caso in cui un fronte tiepido passi sopra un'area
abbondantemente innevata. È comune quando c'è molta differenza tra le temperature
diurne e notturne, si dissolve non appena il sole, al mattino, comincia a scaldare
l'aria.
Nebbia da umidificazione: è la forma più localizzata ed è creata dall'aria fredda che
passa sull'acqua molto più calda. Il vapore acqueo entra velocemente nell'atmosfera
tramite evaporazione e la condensazione ha luogo quando il vapore acqueo raggiunge la
saturazione. La nebbia da umidificazione è frequente nelle regioni polari, e intorno ai
laghi più grandi e più profondi nel tardo autunno e all'inizio dell'inverno, spesso
causa nebbia ghiacciata o talvolta brina.
Nebbia frontale (o nebbia da precipitazione): si forma quando una precipitazione cade
nell'aria secca dietro alla nube, le goccioline liquide evaporano in vapore acqueo. Il
vapore acqueo si raffredda e al punto di rugiada condensa e forma la pioggia.
Nebbia congelantesi: si verifica quando le goccioline di nebbia si trovano allo stato
liquido (condizione detta di sopraffusione) nonostante la temperatura dell'aria sia
inferiore a 0 °C; quando vengono a contatto con una superficie, formano depositi di
ghiaccio chiamati galaverna, calabrosa o ghiaccio chiaro. Ciò è frequente sulla cima di
quelle montagne che sono esposte a un debole vento. È quindi equivalente alla pioggia
congelantesi, che provoca il gelicidio.
Nebbia ghiacciata (o nebbia velata): è quel tipo di nebbia dove le goccioline si sono
congelate a mezz'aria in minuscoli cristalli di ghiaccio. Generalmente ciò richiede
temperature ben al di sotto del punto di congelamento (solitamente inferiori a -30 °C,
nonostante si possa avere sopraffusione fino a -40 °C) e quindi questo tipo di nebbia è
comune solo nell'area e nei dintorni delle regioni artiche e antartiche. Una
precipitazione di aghi di ghiaccio simile alla nebbia ghiacciata, ma che si verifica con
cielo sereno e non provoca diminuzione di visibilità, si chiama polvere di diamanti.