LE NUVOLE: Cristalli di ghiaccio nell’atmosfera

Pubblicato: 5 novembre 2010 in Meteorologia

Le Nuvole – Cristalli di ghiaccio nell’atmosfera

Una nuvola, o nube, è una massa visibile di piccole goccioline d’acqua o cristalli di ghiaccio sospesi nell’atmosfera, sopra la superficie terrestre o di un altro corpo planetario o un satellite. 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. Esse 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. Le nuvole che si formano sulla Terra sono costituite di vapore acqueo che, condensandosi, forma piccole goccioline o cristalli di ghiaccio, solitamente di 0,01 mm di diametro. Quando si formano agglomerati di miliardi queste goccioline, appare visibile la nuvola, di un tipico colore bianco, dovuto all’alta riflessione della luce (fra il 60% e il 85%) sulla superficie di queste goccioline.

A causa dell’elevata dispersione della luce nelle goccioline che compongono la nube, essa può apparire anche grigia o a volte quasi nera. Maggiore sarà la densità della nube e maggiore il suo spessore, più scura essa apparirà. Questo è il motivo per cui una nube temporalesca, generalmente un cumulonembo, appare molto scura alla base. All’alba ed al tramonto, le nuvole posso assumere un colore simile a quello del cielo, soprattutto arancione e rosa. Attorno alla lunghezza d’onda dell’infrarosso, le nuvole apparirebbero più scure perché l’acqua che le costituisce assorbirebbe fortemente la luce solare a questa lunghezza d’onda. Le nubi sono prodotte dalla condensazione del vapore generato 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 ascensionale 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.

L’aria viene raffreddata al 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:

1) 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.

2) Quando l’aria soffia lungo il versante di una montagna e si raffredda progressivamente mentre sale verso gli strati più alti dell’atmosfera.

3) Per convezione, quando una massa d’aria calda si solleva a causa del riscaldamento. Il riscaldamento è di solito dovuto all’irraggiamento solare, ma può essere anche causato da incendi.

4) 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. 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 0,5-2 mm o anche di più e allora cadono direttamente come pioggia. In aggiunta a essere un termine colloquiale usato per descrivere il ghiaccio secco, l’espressione “ghiaccio bollente” è il nome dato ad un fenomeno sorprendente nel quale l’acqua si trasforma in ghiaccio a temperatura ambiente, grazie ad un campo elettrico dell’ordine di un milione di volt al metro. L’effetto di questo campo elettrico è stato suggerito come un’ipotesi per la formazione delle nuvole, tuttavia generando non poche controversie e per questo non è largamente accettata. 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:

1) 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.

2) 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;

3) Gli strati, spesso di estensioni notevoli;

4) 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 8.000 ed i 14.000 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); sono caratterizzate del prefisso “cirro”.

A) Cirri (Ci)

B) Cirrocumuli (Cc)

C) Cirrostrati (Cs)

Nubi medie

Sono formazioni nuvolose con base (nelle regioni temperate) tra i 2.000 ed gli 8.000 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-“.

A) Altocumuli (Ac)

B) Altostrati (As)

 
Nubi basse

Formazioni nuvolose con base (nelle regioni temperate) sotto i 2.000 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-“.

A) Stratocumuli (Sc)

B) Strati (St)

C) Nembostrati (Ns)

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.

A) Cumuli (Cu)

B) Cumulo congesto o torreggiante (Tcu)

C) Cumulonembi (Cb)

Con l’eccezione dei vari tipi di cumuli e cumulonembi, tutti gli altri tipi di nubi sono a sviluppo orizzontale. I cumulomembi si sviluppano quando un cumulo, continuamente alimentato da una corrente ascensionale, cresce in verticale. Un cumulonembo può estendersi fino al limite inferiore della stratosfera, a quote dai 12 ai 15 chilometri a seconda delle latitudini.

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