Alla scoperta della “Convezione”, il motore naturale che fa muovere l’aria verticalmente!

Titolo davvero curioso e tutto da scoprire. Vi ricordate nell’ultimo articolo relativo alle alte e basse pressioni, cosa avevamo cominciato a scoprire, definendo una zona di bassa pressione? Dicemmo che le figure di bassa pressione sono caratterizzate da aria ascendente all’interno del sistema, ovvero aria che sale verso l’alto. La domanda a questo punto è: “Perché succede questo fenomeno che è alla base della Convezione?” Andiamo a scoprirlo insieme con il quinto appuntamento del percorso didattico…

Innanzi tutto diamo una piccola definizione alla parola “Convezione”:  è semplicemente uno scambio di calore, che si verifica con una variazione di temperatura. Questo scambio di calore può avvenire in diversi modi : per conduzione, irraggiamento o per convezione. In questo articolo parliamo, appunto, della convezione di calore.

La convezione di calore si ha quando le particelle di un materiale si spostano relativamente le une alle altre: non si ha soltanto uno scambio di energia ma anche un vero e proprio movimento di materia. Tali movimenti di materia all’interno del fenomeno della convezione prendono il nome di moti convettivi. La convezione avviene per lo più nei fluidi, liquidi o aeriformi, in quanto le particelle di un solido non sono libere di muoversi. Bene… ma la domanda che può sorgere spontanea è : “In che modo avvengono questi moti convettivi? Andiamo a comprendere il tutto attraverso un semplice esempio che richiama un’azione che svolgiamo anche più volte al giorno nelle nostre case : mettere una pentola d’acqua su un fornello acceso per riscaldarla o per portarla magari ad ebollizione.

Moto ascendente e discendente delle particelle di acqua contenute in una pentola posta su un fornello acceso.

Abbiamo quindi una fonte di calore in basso (fornello acceso) e un altro corpo più freddo posto in alto (pentola con acqua inizialmente fredda) . Le porzioni di acqua più fredda, nella pentola poste a livello della fonte di calore, vengono riscaldate e tendono ad espandersi e spostarsi verso l’alto in quanto subiscono una diminuzione della propria densità, ovvero risultano più leggere. Durante il moto ascendente, però, esse entrano in contatto con le porzioni di acqua relative alle pareti laterali della pentola, le quali si trovano a temperature inferiori rispetto alla fonte di calore!  Le porzioni di acqua, che hanno raggiunto queste regioni della pentola con moto ascendente, per forza di cose, si raffreddano, cedendo calore. Si avrà, quindi, un aumento della loro densità, ovvero risulteranno più pesanti e questo  le costringerà a dirigersi nuovamente verso il basso perchè viene a mancare l’equilibrio idrostatico e perchè va ad agire la forza di gravità. Arrivate verso il basso, chiaramente, verranno ancora una volta riscaldate, avranno una perdita di densità e tenderanno nuovamente a salire, poi arriveranno di nuovo sulle pareti laterali della pentola dove si raffredderanno aumentando di densità e quindi si dirigeranno ancora verso il basso ecc. ecc. (immagine in alto).Tutto questo procedimento non si arresterà  finchè sussisterà una differenza di temperatura tra la fonte di calore e il corpo freddo. Questi moti ripetitivi e metodici che abbiamo descritto non sono nient’altro che moti convettivi!

In Meteorologia continui esempi di convezione sono espressi, ad esempio, dalla formazione delle nubi, soprattutto nubi convettive (a sviluppo verticale)  ossia quelle nubi che sviluppano anche temporali.

Moti convettivi presenti nella formazione delle nubi convettive a sviluppo verticale

Sono alla base dei sistemi di bassa pressione, soprattutto di fronti freddi con presenza di aria fredda in quota  e nascono quando una massa d’aria sale rapidamente e quasi verticalmente in quanto si trova ad essere più calda dell’aria circostante e, quindi, tende a sollevarsi verso l’alto. La massa d’aria calda ed anche umida prosegue nel suo moto ascendente finchè non riesce a raggiungere zone dove l’aria circostante ha la sua stessa temperatura e, quindi, il suo stesso peso specifico.  Quando arriva in una zona di pressione inferiore si raffredda e si espande; l’aria fredda non può trattenere tutta l’umidità dell’aria calda per cui l’acqua in più viene espulsa con la formazione di nuvole se abbiamo un moto convettivo moderato, ma quando l’acqua è in quantità eccessiva si ottiene la pioggia, in tal caso, abbiamo un moto convettivo più marcato. L’ascesa di queste masse d’aria calda avviene a causa del diverso riscaldamento del suolo che non è omogeneo. Abbiamo visto, difatti, nel secondo articolo relativo alla radiazione del percorso didattico, che ci sono zone e superfici che riflettono più radiazione solare (radiazione ad onda corta), mentre altre che tendono ad assorbirne la maggior parte.

Abbiamo ora tutti gli elementi per iniziare la trattazione della Circolazione Generale dell’Atmosfera che avverrà dal prossimo articolo del percorso didattico. Scopriremo l’origine delle alte e basse pressioni che influenzano le condizioni meteorologiche nel nostro emisfero boreale. Siete curiosi di sapere da cosa nasce l’Alta Pressione delle Azzorre? Che cos’è il Vortice Polare? Cos’è la Linea di Convergenza Intertropicale (ITCZ)? Restate sintonizzati su www.meteoindiretta.it