A lezioni di meteorologia: Come nasce una nuvola?

Dal misticismo e dalla fantasia alla microfisica delle nubi.

Le nuvole da sempre sono state oggetto di discussione. Le sono state date varie interpretazioni e ancora oggi estraniandoci dalla realtà è facile vedere in esse batuffoli d’ovatta sospesi in aria, panna montata e così via. L’immaginazione ha un potere infinito ma tornando alla realtà l’unico modo per comprendere veramente cosa sono e come si formano è mettere mano alla matematica e alla fisica. 

Da sempre alzando gli occhi al cielo osserviamo affascinati le nuvole. Prima ancora che si scoprisse cosa fossero l’immaginazione umana ha attribuito alle nuvole significati variegati, dandone anche un’interpretazione mistica. Pensate a quando eravate bambini! Sicuramente avrete anche voi visto nelle nuvole immagini di animali, persone, cose, ecc. La loro forma, il fatto che siano sospese in aria e la loro dinamicità nel tempo, ci fanno porre tante domande e siamo qui oggi per darne le risposte.

Come nasce una nuvola?

Sicuramente il primo riferimento che si fa è relativo alla condensazione del vapore acqueo, ma in realtà non è così semplice! Affinché si formi una nuvola è necessario che coesistano una serie di condizioni atmosferiche. Innanzitutto nell’aria ci deve essere un gran quantitativo di vapore acqueo e deve essere supersatura per dar inizio alla formazione e il processo deve essere energicamente favorito. Con il termine “supersatura” si indica un’umidità relativa superiore al 100%! L’energia necessaria affinché possa essere favorita la formazione di una nuvola dipende da una serie di fattori tra cui le dimensioni fisiche delle particelle d’aria, dal numero di molecole per unità di volume ecc.. Anche il raggio critico della molecola, deve essere circa 1 mm, ma questo è un valore sicuramente troppo grande per una particella di aria. Per cui affinché il processo sia favorito, è necessaria la presenza di un granello solido (di differente natura – solubile e non solubile), cosicché il raggio di partenza sia sufficientemente grande da garantire la formazione della nube. Questi granelli sono particolari Aerosols noti come Nuclei di Condensazione (NdC), i quali dissolti nell’acqua atmosferica danno luogo alle Solution Droplets. Gli aerosols sono più diffusi su zona continentale che zona oceanica, basta pensare a particelle di polvere, di fogliame sui continenti e al cloruro di sodio sui mari, tuttavia più sono solubili più favoriscono i processi, per cui parlando in termini di NdC essi sono in percentuale sicuramente maggiori sugli oceani rispetto che ai continenti. Il fenomeno fisico di combinazione tra particelle d’aria e NdC prende il nome di Nucleazione Eterogenea.

Ma le nubi sono tante e diverse!

Vediamo ora, distinguendo tra Nubi Calde e Nubi Fredde i meccanismi di formazione.

Le nubi calde sono così chiamate perché si formano completamente al di sotto dell’isoterma a 0°C. Sono formate solo da gocce d’acqua allo stato liquido, tant’è che il parametro fondamentale ad esse legato è il contenuto d’acqua LWC (Liquid Water Content). Quest’indice nelle nubi calde è molto variabile, ad esempio le nubi calde continentali sono più dense delle nubi calde oceaniche. La variabilità del LWC nelle nuvole dipende principalmente dall’Entrainment, ovvero dall’ingresso di aria secca nella particella. L’aria secca fa evaporare l’acqua presente nelle vicinanze, raffreddando la particella che dunque scende di quota. Scendendo può diventare più calda dell’aria circostante e risalire oppure evaporare completamente. Tutti i fenomeni visti finora però non garantiscono il raggio tipico di una particella tale da sostenere la nascita della nuvola ma entrano in gioco due fenomeni ovvero l’accrescimento per condensazione e l’accrescimento per collezione. Durante il primo meccanismo si formerebbero gocce tutte più o meno con la stessa grandezza e richiederebbe tempi lunghissimi per formare particelle abbastanza grandi e pesanti, tali da precipitare sotto forma di pioggia. Le dimensioni delle particelle che si formano con maggiore probabilità non sarebbero sufficienti a innescare precipitazioni. Il secondo meccanismo invece è molto più efficace e sfrutta la differenza di velocità di caduta libera delle particelle per generare dall’impatto di due particelle una più grande. Non tutti gli urti favoriscono la formazione di gocce più grandi ma c’è un fattore noto come Coalescenza che lega la probabilità di aggregazione post-collisione con una serie di parametri fisici, tra cui distanza tra le gocce, loro diametro e velocità di caduta. I due meccanismi in realtà agiscono insieme, prima si formano le particelle piccole per condensazione e poi crescono per collezione.

Le nubi fredde sono quelle presenti al di sopra dell’isoterma a 0°C e per questo motivo, a differenza di quelle calde sono costituite sia da particelle liquide sia solide. Gli aerosols presenti nelle nubi prendono il nome di Nuclei di Congelamento. Essi non devono essere solubili perché devono creare dei legami. La probabilità di trovare particelle di ghiaccio in una nube aumenta con la diminuzione della temperatura e diventa il 100% per una temperatura al top della nube di -13°C. Da varie misure risulta che le particelle di ghiaccio sono molto maggiori dei nuclei di congelamento, ciò è dovuto all’ice multiplication. Successivamente vari processi di accrescimento favoriscono le precipitazioni.

I processi di microfisica delle nubi sono così complessi che spesso è impossibile ottenere soluzioni in maniera analitica. Per questo motivo vengono in aiuto una serie di parametrizzazioni, differenti per ogni tipo di precipitazione. Studiare le nuvole è tanto affascinante quanto complesso, e l’incertezza legata alla loro parametrizzazione all’interno dei modelli di previsione meteorologica è sicuramente uno dei tanti motivi per il quale ad oggi le previsioni meteorologiche non rispecchiano sempre quanto realmente accade.

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