M00.20 – Formazione delle nubi, condensazione e precipitazioni¶
1. Obiettivi della lezione¶
Al termine di questa lezione sarai in grado di:
- comprendere come si formano le nubi;
- distinguere vapore acqueo, goccioline e cristalli di ghiaccio;
- comprendere il ruolo dei nuclei di condensazione;
- distinguere condensazione e deposizione;
- conoscere il processo di Bergeron-Findeisen;
- comprendere i processi di collisione e coalescenza;
- conoscere la formazione della neve, della pioggia, della grandine e del graupel;
- distinguere precipitazioni liquide, solide e miste;
- comprendere il fenomeno della virga;
- conoscere le principali forme di precipitazione;
- interpretare le misure pluviometriche;
- comprendere come si misurano quantità e intensità delle precipitazioni.
2. Il ciclo dell'acqua nell'atmosfera¶
L'acqua presente sulla Terra si trova in tre stati fisici:
- solido;
- liquido;
- aeriforme.
L'atmosfera contiene acqua principalmente sotto forma di vapore acqueo, ma anche sotto forma di goccioline liquide e cristalli di ghiaccio.
Il ciclo idrologico descrive il continuo trasferimento dell'acqua tra superficie terrestre, oceani, atmosfera e acque continentali.
2.1 Le principali fasi del ciclo idrologico¶
Le fasi principali sono:
- evaporazione;
- traspirazione;
- condensazione;
- formazione delle nubi;
- precipitazione;
- infiltrazione;
- ruscellamento;
- accumulo nelle acque superficiali e sotterranee.
2.2 Evaporazione¶
L'evaporazione è il passaggio dell'acqua dallo stato liquido a quello aeriforme.
Avviene sulla superficie di:
- mari;
- oceani;
- laghi;
- fiumi;
- terreni umidi;
- vegetazione bagnata.
L'energia necessaria al processo proviene principalmente dalla radiazione solare e dagli scambi energetici con l'ambiente.
2.3 Traspirazione¶
La traspirazione è il rilascio di vapore acqueo da parte delle piante, principalmente attraverso gli stomi delle foglie.
Evaporazione e traspirazione costituiscono insieme l'evapotraspirazione.
2.4 Condensazione¶
La condensazione è il passaggio del vapore acqueo allo stato liquido.
Nell'atmosfera avviene frequentemente quando l'aria si raffredda fino a raggiungere la saturazione e sono disponibili condizioni favorevoli alla formazione delle goccioline.
2.5 Precipitazione¶
La precipitazione è la caduta verso la superficie terrestre di acqua liquida o solida proveniente dalle nubi o da altre formazioni atmosferiche.
Comprende:
- pioggia;
- neve;
- nevischio;
- grandine;
- pioviggine;
- altre forme di particelle liquide o solide che raggiungono il terreno.
3. Il vapore acqueo e la saturazione¶
Il vapore acqueo è l'acqua presente nell'atmosfera allo stato aeriforme.
La quantità di vapore contenuta nell'aria influenza numerosi processi meteorologici.
3.1 Pressione di vapore¶
Il vapore acqueo esercita una propria pressione parziale, chiamata pressione di vapore.
Si indica generalmente con e.
La pressione di saturazione viene indicata con es.
Quando la pressione effettiva del vapore raggiunge quella di saturazione, l'aria è satura rispetto all'acqua liquida.
3.2 Umidità relativa¶
L'umidità relativa è il rapporto tra la pressione effettiva del vapore e la pressione di saturazione alla stessa temperatura.
La formula è:
UR = (e / es) × 100
Dove:
- UR = umidità relativa in percentuale;
- e = pressione effettiva del vapore;
- es = pressione di saturazione.
3.3 Esempio¶
Supponiamo:
e = 12 hPa
es = 20 hPa
Calcolo:
UR = (12 / 20) × 100
UR = 60%
L'umidità relativa è quindi del 60%.
3.4 Effetto della temperatura¶
La pressione di saturazione aumenta rapidamente con la temperatura.
Questo significa che aria più calda può contenere una maggiore quantità di vapore acqueo prima di raggiungere la saturazione.
Se la quantità effettiva di vapore rimane invariata e la temperatura diminuisce, l'umidità relativa aumenta.
4. Il raffreddamento dell'aria e la formazione delle nubi¶
Per formare una nube è necessario che il vapore acqueo passi alla fase liquida o solida.
Uno dei meccanismi più importanti è il raffreddamento dell'aria.
Quando una massa d'aria sale:
- la pressione esterna diminuisce;
- l'aria si espande;
- la temperatura diminuisce;
- l'umidità relativa tende ad aumentare;
- può essere raggiunta la saturazione;
- possono iniziare i processi di formazione delle particelle della nube.
4.1 Meccanismi di sollevamento¶
L'aria può essere sollevata per diversi motivi:
- convezione termica;
- sollevamento frontale;
- sollevamento orografico;
- convergenza dei venti;
- processi dinamici atmosferici.
4.2 Sollevamento convettivo¶
Il terreno riscaldato dal Sole trasferisce energia all'aria vicina alla superficie.
L'aria più calda e meno densa tende a salire.
Se raggiunge il livello di condensazione possono formarsi nubi cumuliformi.
4.3 Sollevamento frontale¶
In corrispondenza di un fronte, una massa d'aria può essere costretta a salire sopra un'altra massa d'aria.
Il raffreddamento conseguente può produrre estese formazioni nuvolose.
4.4 Sollevamento orografico¶
Quando l'aria incontra un rilievo montuoso può essere costretta a salire lungo il versante.
Durante la salita si espande e si raffredda.
Se raggiunge la saturazione possono formarsi nubi e precipitazioni.
5. I nuclei di condensazione¶
La formazione delle goccioline nelle nubi avviene normalmente in presenza di particelle microscopiche sospese nell'atmosfera.
Queste particelle sono chiamate nuclei di condensazione delle nubi, o CCN (Cloud Condensation Nuclei).
Possono essere costituite da:
- sali marini;
- polveri minerali;
- particelle di combustione;
- solfati;
- sostanze organiche;
- aerosol di diversa origine.
5.1 Funzione dei nuclei¶
I nuclei forniscono superfici sulle quali il vapore acqueo può condensare.
La presenza di nuclei facilita la formazione delle goccioline rispetto alla condensazione spontanea di acqua pura in atmosfera ordinaria.
5.2 Dimensioni¶
Gli aerosol atmosferici hanno dimensioni molto variabili.
I nuclei di condensazione possono avere dimensioni da frazioni di micrometro a diversi micrometri.
Le goccioline delle nubi sono generalmente più grandi degli aerosol che hanno favorito la loro formazione.
5.3 Nuclei igroscopici¶
Alcune particelle attirano facilmente il vapore acqueo e favoriscono la crescita delle goccioline.
I sali marini sono un esempio importante di sostanze igroscopiche.
5.4 Nuclei di ghiacciamento¶
Per la formazione dei cristalli di ghiaccio possono intervenire particelle particolari chiamate nuclei di ghiacciamento.
Questi favoriscono la formazione del ghiaccio a temperature inferiori a 0 °C, in condizioni che dipendono dal tipo di particella e dall'ambiente atmosferico.
6. La condensazione¶
La condensazione è il passaggio dalla fase aeriforme a quella liquida.
Quando il vapore acqueo condensa, viene liberato calore latente.
Questo calore rappresenta energia che viene trasferita all'ambiente circostante e influenza la termodinamica della nube.
6.1 Calore latente di condensazione¶
Il calore latente di condensazione è, in valore assoluto, equivalente al calore necessario per evaporare la stessa quantità di acqua alla medesima temperatura.
Un valore indicativo vicino a 0 °C è:
Lv ≈ 2,5 × 10⁶ J/kg
Dove:
- Lv = calore latente di vaporizzazione e, in valore assoluto, di condensazione;
- J/kg = joule per chilogrammo.
Il valore varia con la temperatura.
6.2 Esempio energetico¶
Supponiamo che condensino 0,001 kg di acqua.
Utilizziamo:
Lv = 2,5 × 10⁶ J/kg
Energia liberata:
Q = m × Lv
Q = 0,001 × 2,5 × 10⁶
Q = 2500 J
La condensazione libera circa 2500 joule di energia.
6.3 Importanza meteorologica¶
Il calore latente liberato durante la condensazione:
- rallenta il raffreddamento della particella satura;
- influenza la galleggiabilità;
- contribuisce all'energia dei sistemi convettivi;
- può favorire l'intensificazione dei moti ascendenti.
7. Le goccioline delle nubi¶
Le nubi sono costituite da numerosissime particelle microscopiche.
Possono contenere:
- goccioline di acqua liquida;
- cristalli di ghiaccio;
- particelle di acqua sopraffusa;
- una combinazione di queste forme.
7.1 Dimensioni delle goccioline¶
Le goccioline delle nubi hanno generalmente diametri dell'ordine di pochi micrometri fino a qualche decina di micrometri.
Sono così piccole che possono rimanere sospese nell'aria per tempi relativamente lunghi.
7.2 Perché le goccioline non cadono immediatamente¶
Le goccioline sono soggette alla gravità, ma la loro velocità di caduta è molto bassa.
Le correnti ascensionali e la turbolenza possono mantenerle sospese.
Una nube può quindi contenere moltissima acqua senza produrre precipitazioni al suolo.
7.3 Acqua sopraffusa¶
L'acqua sopraffusa è acqua liquida che rimane allo stato liquido a temperature inferiori a 0 °C.
Può essere presente nelle nubi fredde.
Quando entra in contatto con una superficie o con un cristallo di ghiaccio può congelare rapidamente.
L'acqua sopraffusa è importante nella formazione della galaverna e della grandine.
8. La formazione dei cristalli di ghiaccio¶
Nelle nubi con temperature inferiori a 0 °C possono formarsi cristalli di ghiaccio.
La loro crescita dipende da:
- temperatura;
- umidità;
- presenza di nuclei di ghiacciamento;
- quantità di acqua sopraffusa;
- condizioni microfisiche della nube.
8.1 Deposizione¶
La deposizione è il passaggio diretto del vapore acqueo allo stato solido.
È il processo inverso della sublimazione.
Nell'atmosfera può contribuire alla crescita dei cristalli di ghiaccio.
8.2 Sublimazione¶
La sublimazione è il passaggio diretto dallo stato solido a quello aeriforme.
Un esempio comune è la progressiva scomparsa della neve in aria fredda e secca senza fusione completa.
8.3 Crescita dei cristalli¶
I cristalli possono assumere forme differenti:
- aghi;
- colonne;
- placche;
- dendriti;
- forme miste.
La forma dipende soprattutto dalla temperatura e dalla disponibilità di vapore acqueo durante la crescita.
9. Il processo di Bergeron-Findeisen¶
Il processo di Bergeron-Findeisen è uno dei principali meccanismi di crescita delle particelle di ghiaccio nelle nubi miste.
Una nube mista contiene contemporaneamente:
- goccioline di acqua sopraffusa;
- cristalli di ghiaccio.
9.1 Differenza tra pressione di saturazione¶
A temperature inferiori a 0 °C, la pressione di saturazione del vapore rispetto all'acqua liquida è generalmente maggiore di quella rispetto al ghiaccio.
In determinate condizioni l'aria può quindi risultare:
- satura rispetto al ghiaccio;
- sovrasatura rispetto al ghiaccio;
- contemporaneamente non satura rispetto all'acqua liquida.
9.2 Meccanismo¶
Quando la pressione di vapore è superiore alla pressione di saturazione rispetto al ghiaccio, il vapore può depositarsi sui cristalli.
I cristalli crescono.
Le goccioline sopraffuse possono evaporare per alimentare il vapore che successivamente si deposita sul ghiaccio.
Il processo favorisce quindi la crescita dei cristalli a spese delle goccioline liquide.
9.3 Risultato¶
I cristalli diventano progressivamente più grandi.
Possono:
- aggregarsi;
- cadere;
- attraversare strati più caldi;
- fondere;
- raggiungere il terreno sotto forma di pioggia o neve.
9.4 Importanza¶
Il processo di Bergeron-Findeisen è particolarmente importante nelle nubi miste delle medie latitudini.
Contribuisce alla formazione delle precipitazioni nelle nubi stratiformi e in numerosi sistemi nuvolosi.
10. Collisione e coalescenza¶
Nelle nubi calde, formate prevalentemente da goccioline liquide e con temperature superiori a 0 °C, la crescita delle gocce può avvenire attraverso collisione e coalescenza.
10.1 Collisione¶
La collisione avviene quando una goccia più grande intercetta una o più goccioline più piccole durante la caduta.
Le differenze di velocità di caduta favoriscono gli incontri tra particelle.
10.2 Coalescenza¶
La coalescenza avviene quando due goccioline che entrano in contatto si uniscono formando una goccia più grande.
Il processo può ripetersi numerose volte.
10.3 Crescita delle gocce¶
Le gocce possono aumentare progressivamente di dimensione.
Quando diventano sufficientemente grandi, la velocità di caduta aumenta.
Se raggiungono dimensioni e velocità tali da non essere più sostenute dalle correnti ascendenti, possono cadere come precipitazione.
10.4 Pioggia da nube calda¶
Il processo di collisione e coalescenza è particolarmente importante nelle nubi calde tropicali e nelle nubi con contenuto di acqua liquida elevato.
11. La formazione della pioggia¶
La pioggia è una precipitazione costituita da gocce d'acqua liquide che raggiungono la superficie terrestre.
Le gocce di pioggia sono generalmente più grandi delle goccioline che costituiscono una nube.
11.1 Origine¶
La pioggia può formarsi attraverso:
- collisione e coalescenza;
- processi di crescita dei cristalli di ghiaccio seguiti dalla fusione;
- combinazioni dei due processi.
11.2 Dimensioni delle gocce¶
Le gocce di pioggia hanno dimensioni variabili.
Le gocce più piccole possono avere diametri inferiori a 1 mm.
Le gocce più grandi possono raggiungere diversi millimetri.
Le gocce molto grandi tendono a deformarsi e frammentarsi durante la caduta.
11.3 Intensità della pioggia¶
L'intensità indica la quantità di precipitazione caduta nell'unità di tempo.
Si esprime generalmente in:
mm/h
Esempio:
Una precipitazione di 12 mm in un'ora corrisponde a un'intensità media di 12 mm/h.
12. La formazione della neve¶
La neve è una precipitazione solida costituita da cristalli di ghiaccio o aggregati di cristalli.
Si forma quando i cristalli di ghiaccio crescono nelle nubi e raggiungono il suolo senza fondere completamente.
12.1 Cristalli di neve¶
I cristalli possono presentare forme differenti.
Tra le forme più conosciute:
- dendriti;
- placche;
- colonne;
- aghi;
- prismi;
- aggregati.
12.2 Fiocchi di neve¶
Un fiocco di neve può essere costituito da uno o più cristalli aggregati.
Durante la caduta i cristalli possono urtarsi e unirsi.
La forma dipende dalla temperatura e dall'umidità incontrate durante la crescita.
12.3 Neve e temperatura al suolo¶
La temperatura al suolo è importante, ma non è l'unico fattore che determina il tipo di precipitazione.
Una nevicata può raggiungere il terreno anche con temperatura leggermente superiore a 0 °C, soprattutto quando l'aria è sufficientemente secca e l'evaporazione o la fusione parziale raffreddano lo strato attraversato.
Per valutare il tipo di precipitazione è necessario considerare l'intero profilo verticale della temperatura e dell'umidità.
13. Il graupel¶
Il graupel è una particella di ghiaccio formata quando cristalli di neve entrano in contatto con goccioline di acqua sopraffusa.
Le goccioline congelano sulla superficie del cristallo.
Il processo è chiamato accrezione o rimeggiamento.
13.1 Caratteristiche¶
Il graupel:
- ha aspetto generalmente bianco e opaco;
- presenta una struttura relativamente fragile;
- può avere forma quasi sferica;
- si forma frequentemente nelle nubi convettive fredde.
13.2 Differenza tra graupel e grandine¶
Il graupel si forma principalmente per accumulo di goccioline sopraffuse sulla superficie dei cristalli di neve.
La grandine cresce attraverso processi di accrescimento del ghiaccio in correnti ascensionali intense, spesso con ripetuti passaggi attraverso regioni contenenti acqua sopraffusa.
Le due particelle hanno quindi meccanismi di crescita differenti.
14. La formazione della grandine¶
La grandine è una precipitazione solida costituita da chicchi di ghiaccio, generalmente associata a cumulonembi intensi.
14.1 Condizioni favorevoli¶
La formazione della grandine richiede condizioni particolari:
- presenza di acqua sopraffusa;
- cristalli o embrioni di ghiaccio;
- correnti ascendenti sufficientemente intense;
- condizioni termodinamiche favorevoli alla crescita del ghiaccio.
14.2 Accrescimento¶
Un embrione di ghiaccio attraversa regioni della nube contenenti goccioline sopraffuse.
Le goccioline entrano in contatto con il chicco e congelano sulla sua superficie.
Il chicco aumenta progressivamente di dimensione.
14.3 Crescita¶
La crescita può essere favorita dal permanere o dal ripetuto passaggio del chicco in regioni ricche di acqua sopraffusa.
Le correnti ascendenti possono sostenere le particelle per un certo periodo.
Quando il peso diventa maggiore della capacità delle correnti di sostenerle, i chicchi possono cadere.
14.4 Struttura della grandine¶
Alcuni chicchi presentano strati alternati di ghiaccio più trasparente e più opaco.
Queste differenze dipendono dalle condizioni di congelamento e dalla presenza di aria intrappolata.
14.5 Dimensioni e pericolosità¶
La grandine può avere dimensioni molto diverse.
I chicchi più grandi possono provocare danni a:
- coltivazioni;
- automobili;
- edifici;
- impianti fotovoltaici;
- infrastrutture.
15. Le precipitazioni miste¶
Durante la caduta una particella può attraversare strati atmosferici con temperature differenti.
Il tipo di precipitazione che raggiunge il terreno dipende dal profilo verticale.
15.1 Nevischio¶
Il termine viene utilizzato in modo non sempre uniforme.
Può indicare piccoli granuli di ghiaccio o forme di precipitazione solida di dimensioni ridotte.
Nelle osservazioni meteorologiche è importante distinguere la neve granulosa dai granuli di ghiaccio.
15.2 Pioggia congelantesi¶
La pioggia congelantesi è costituita da gocce liquide sopraffuse che congelano quando entrano in contatto con superfici fredde.
Può formare uno strato di ghiaccio trasparente e pericoloso.
15.3 Granuli di ghiaccio¶
Possono formarsi quando gocce di pioggia o particelle parzialmente fuse attraversano uno strato sottozero e ricongelano prima di raggiungere il suolo.
15.4 Profilo termico¶
Per distinguere neve, pioggia, pioggia congelantesi e granuli di ghiaccio bisogna conoscere:
- temperatura in quota;
- spessore degli strati caldi;
- temperatura degli strati freddi;
- umidità;
- intensità della precipitazione.
La sola temperatura misurata al suolo non è sufficiente.
16. La virga¶
La virga è una precipitazione che cade da una nube ma evapora o sublima prima di raggiungere il terreno.
Può apparire come strisce o filamenti che si estendono sotto la base della nube.
16.1 Cause¶
La virga si forma quando le particelle precipitanti attraversano uno strato atmosferico sufficientemente secco.
Le gocce evaporano oppure i cristalli sublimano.
16.2 Effetti¶
L'evaporazione assorbe calore dall'ambiente.
Questo può raffreddare l'aria circostante e contribuire alla formazione di correnti discendenti.
In alcune condizioni la virga è associata a fenomeni di raffica discendente.
16.3 Riconoscimento visivo¶
Dalla superficie terrestre può essere osservata come una struttura filamentosa sotto la nube.
Non raggiunge il suolo come precipitazione misurabile.
17. Le forme di precipitazione¶
Le precipitazioni possono essere classificate in base allo stato fisico, alla dimensione delle particelle e alle modalità di caduta.
| Tipo | Caratteristiche |
|---|---|
| Pioggia | Gocce d'acqua liquide |
| Pioviggine | Gocce liquide molto piccole e numerose |
| Neve | Cristalli o aggregati di ghiaccio |
| Grandine | Chicchi di ghiaccio di dimensioni variabili |
| Graupel | Particelle di neve ricoperte da ghiaccio opaco |
| Granuli di ghiaccio | Piccole particelle solide o ricongelate |
| Pioggia congelantesi | Gocce liquide che congelano al contatto con superfici fredde |
17.1 Precipitazioni continue¶
Sono precipitazioni che si verificano per periodi relativamente lunghi, spesso associate a nubi stratiformi e sistemi frontali.
17.2 Precipitazioni intermittenti¶
Sono caratterizzate da alternanza di fasi con precipitazione e fasi senza precipitazione.
17.3 Rovesci¶
I rovesci sono precipitazioni generalmente associate a nubi convettive.
Possono iniziare e terminare rapidamente e presentare variazioni significative di intensità.
17.4 Temporali¶
Sono fenomeni convettivi associati a fulmini e tuoni.
Possono produrre precipitazioni intense, grandine e raffiche.
18. La quantità di precipitazione¶
La quantità di precipitazione viene normalmente espressa in millimetri.
Un millimetro di precipitazione equivale a uno spessore d'acqua di un millimetro distribuito uniformemente su una superficie orizzontale.
La relazione fondamentale è:
1 mm = 1 litro/m²
18.1 Esempio¶
Se cadono 20 mm di pioggia su un metro quadrato:
20 mm = 20 litri/m²
Su una superficie di 100 m²:
20 × 100 = 2000 litri
Sono quindi caduti 2000 litri d'acqua sulla superficie considerata, assumendo che tutta la precipitazione venga raccolta uniformemente.
18.2 Volume totale¶
Il volume può essere calcolato con:
V = h × A
Dove:
- V = volume in m³;
- h = altezza della precipitazione in metri;
- A = superficie in m².
Esempio:
h = 0,020 m
A = 100 m²
V = 0,020 × 100
V = 2 m³
Poiché un metro cubo equivale a 1000 litri:
2 m³ = 2000 litri.
19. L'intensità della precipitazione¶
L'intensità esprime la quantità di precipitazione caduta in un determinato intervallo di tempo.
Si misura normalmente in mm/h.
19.1 Formula¶
I = P / t
Dove:
- I = intensità media;
- P = precipitazione accumulata in millimetri;
- t = tempo in ore.
19.2 Esempio numerico¶
In 30 minuti cadono 15 mm di pioggia.
Convertiamo il tempo:
30 minuti = 0,5 ore
Calcolo:
I = 15 / 0,5
I = 30 mm/h
L'intensità media è quindi di 30 mm/h.
19.3 Intensità media e intensità istantanea¶
L'intensità media viene calcolata su un intervallo di tempo.
L'intensità può invece variare continuamente durante l'evento.
Una precipitazione può presentare brevi picchi molto intensi anche se la media oraria è relativamente modesta.
20. Il pluviometro¶
Il pluviometro è lo strumento utilizzato per misurare la quantità di precipitazione.
Raccoglie l'acqua caduta su una superficie di raccolta nota.
La quantità viene determinata attraverso la misura del volume o dell'altezza equivalente dell'acqua raccolta.
20.1 Pluviometro manuale¶
È costituito generalmente da:
- imbuto di raccolta;
- contenitore graduato;
- eventuale cilindro di misura.
L'acqua viene raccolta e successivamente misurata.
20.2 Pluviometro automatico¶
Può registrare automaticamente le precipitazioni.
Tra i tipi più diffusi:
- pluviometro a bascula;
- pluviometro a pesata;
- pluviometro ottico.
20.3 Pluviometro a bascula¶
È costituito da due piccoli contenitori oscillanti.
Quando uno dei contenitori raggiunge una determinata quantità d'acqua, si ribalta e svuota il contenuto.
Il movimento viene registrato elettronicamente.
Ogni ribaltamento corrisponde a una quantità di precipitazione nota.
20.4 Pluviometro a pesata¶
Misura l'aumento di massa dovuto alla precipitazione raccolta.
Può essere utilizzato per misurare pioggia, neve e altre forme di precipitazione, con configurazioni appropriate.
20.5 Installazione¶
Per ottenere misure attendibili il pluviometro deve essere installato:
- su una superficie adeguata;
- lontano da ostacoli che alterano la raccolta;
- in posizione stabile;
- con apertura orizzontale;
- secondo le indicazioni tecniche dello strumento e della rete meteorologica.
La presenza di edifici, alberi e vento può influenzare la misura.
21. La neve e la misura equivalente in acqua¶
La neve viene spesso misurata attraverso l'altezza dello strato accumulato.
Tuttavia, per confrontare la quantità di neve con la pioggia è necessario conoscere il suo equivalente in acqua.
21.1 Equivalente in acqua¶
Lo Snow Water Equivalent (SWE) è la quantità di acqua che si otterrebbe fondendo uno strato di neve.
La densità della neve varia notevolmente.
Neve fresca e leggera contiene molta aria.
Neve umida e compatta contiene una quantità maggiore di acqua a parità di volume.
21.2 Rapporto neve-acqua¶
Come semplice riferimento didattico si utilizza talvolta:
10 cm di neve ≈ 10 mm di acqua
Questo rapporto non è universale.
Neve molto leggera può contenere meno acqua.
Neve bagnata e pesante può contenerne molto di più.
21.3 Esempio¶
Uno strato di neve ha altezza di 20 cm.
Se si assume un rapporto indicativo di 10:1:
20 cm di neve corrispondono a circa 20 mm di acqua.
La misura reale richiede però la determinazione della densità o dell'equivalente in acqua.
22. Il radar meteorologico¶
Il radar meteorologico permette di individuare e seguire le precipitazioni.
Funziona trasmettendo impulsi di onde elettromagnetiche e ricevendo parte dell'energia retrodiffusa dalle particelle presenti nell'atmosfera.
22.1 Principio di funzionamento¶
Il radar:
- trasmette un impulso;
- l'impulso incontra gocce, cristalli o altre particelle;
- una parte dell'energia viene retrodiffusa;
- il radar riceve il segnale;
- il sistema elabora la risposta.
22.2 Riflettività¶
La riflettività radar è un parametro collegato alla capacità delle particelle di retrodiffondere energia.
È comunemente espressa in dBZ.
Valori maggiori indicano generalmente una risposta radar più intensa, ma non equivalgono direttamente a una determinata quantità di pioggia.
22.3 Limiti del radar¶
La misura può essere influenzata da:
- distanza;
- orografia;
- attenuazione;
- tipo e dimensione delle particelle;
- neve e grandine;
- presenza di ostacoli;
- quota del fascio radar.
Il radar fornisce quindi informazioni preziose, ma non sostituisce completamente le misure al suolo.
23. Il satellite meteorologico e le nubi¶
I satelliti meteorologici permettono di osservare la distribuzione delle nubi e alcune caratteristiche dell'atmosfera.
23.1 Canale visibile¶
Il canale visibile utilizza la radiazione solare riflessa.
Permette di osservare:
- distribuzione delle nubi;
- forme;
- strutture;
- sviluppo dei sistemi nuvolosi.
È utilizzabile principalmente durante il giorno.
23.2 Canale infrarosso¶
Il canale infrarosso misura la radiazione termica emessa.
Permette di stimare la temperatura delle superfici osservate e delle sommità delle nubi.
Le sommità molto fredde possono indicare nubi con grande sviluppo verticale.
23.3 Canale del vapore acqueo¶
Alcuni canali sono sensibili all'assorbimento della radiazione da parte del vapore acqueo.
Sono utili per osservare la distribuzione dell'umidità e alcuni aspetti della circolazione atmosferica, soprattutto in quota.
23.4 Interpretazione¶
Le immagini satellitari permettono di seguire:
- sistemi frontali;
- cicloni;
- temporali;
- linee di instabilità;
- nubi orografiche;
- evoluzione delle masse nuvolose.
24. Applicazione pratica: interpretare un evento di precipitazione¶
Consideriamo una situazione ipotetica.
Una perturbazione attraversa l'Italia settentrionale.
Prima del passaggio del fronte:
- aumenta la nuvolosità;
- arrivano nubi stratiformi;
- si verificano precipitazioni estese.
Dopo il passaggio del fronte:
- la temperatura diminuisce;
- il vento cambia direzione;
- l'aria più fredda favorisce nuovi moti verticali;
- possono svilupparsi rovesci.
Un radar meteorologico mostra una fascia di precipitazione in movimento.
Una stazione meteorologica misura:
- 8 mm nella prima ora;
- 12 mm nella seconda ora;
- 5 mm nella terza ora.
Precipitazione totale:
8 + 12 + 5 = 25 mm
Intensità media sulle tre ore:
25 / 3 ≈ 8,33 mm/h
L'evento ha prodotto una precipitazione complessiva di 25 mm con intensità media di circa 8,33 mm/h.
La seconda ora è stata quella con maggiore quantità di pioggia.
25. Errori comuni da evitare¶
- Confondere evaporazione e condensazione.
- Pensare che una nube sia costituita soltanto da vapore acqueo.
- Dimenticare il ruolo dei nuclei di condensazione.
- Confondere nuclei di condensazione e nuclei di ghiacciamento.
- Pensare che tutte le nubi producano precipitazioni.
- Confondere acqua sopraffusa e ghiaccio.
- Confondere condensazione e deposizione.
- Confondere il processo Bergeron-Findeisen con la coalescenza.
- Pensare che tutta la pioggia si formi esclusivamente attraverso collisione e coalescenza.
- Confondere graupel e grandine.
- Pensare che la neve dipenda soltanto dalla temperatura al suolo.
- Confondere pioggia congelantesi e grandine.
- Confondere virga e precipitazione che raggiunge il terreno.
- Confondere quantità di pioggia e intensità.
- Dimenticare che 1 mm di precipitazione equivale a 1 litro per metro quadrato.
- Considerare il radar una misura diretta e perfetta della pioggia al suolo.
- Interpretare la temperatura della sommità di una nube senza considerare altre informazioni.
- Pensare che 10 cm di neve corrispondano sempre a 10 mm di acqua.
26. Esercizi di verifica¶
Esercizio 1 – Umidità relativa¶
La pressione effettiva del vapore è 10 hPa e quella di saturazione è 20 hPa.
Calcola l'umidità relativa.
Esercizio 2 – Calore latente¶
Condensano 0,002 kg di vapore acqueo.
Utilizzando un calore latente di 2,5 × 10⁶ J/kg, calcola l'energia liberata.
Esercizio 3 – Nuclei di condensazione¶
Qual è la funzione principale dei nuclei di condensazione?
Esercizio 4 – Acqua sopraffusa¶
Che cosa si intende per acqua sopraffusa?
Esercizio 5 – Bergeron-Findeisen¶
Perché i cristalli di ghiaccio possono crescere a spese delle goccioline di acqua sopraffusa?
Esercizio 6 – Coalescenza¶
Che cosa accade durante la coalescenza?
Esercizio 7 – Grandine¶
Quale ruolo svolgono le correnti ascendenti nella formazione della grandine?
Esercizio 8 – Graupel¶
Qual è la principale differenza tra graupel e grandine?
Esercizio 9 – Virga¶
Perché una precipitazione può evaporare prima di raggiungere il terreno?
Esercizio 10 – Conversione¶
Quanti litri per metro quadrato corrispondono a 15 mm di precipitazione?
Esercizio 11 – Volume¶
Su una superficie di 200 m² cadono 10 mm di pioggia.
Calcola il volume d'acqua raccolto.
Esercizio 12 – Intensità¶
In 20 minuti cadono 10 mm di pioggia.
Calcola l'intensità media in mm/h.
Esercizio 13 – Pluviometro¶
Qual è il principio di funzionamento di un pluviometro a bascula?
Esercizio 14 – Radar¶
Che cosa rappresenta la riflettività radar?
Esercizio 15 – Neve¶
Perché 10 cm di neve non corrispondono sempre a 10 mm di acqua?
27. Soluzioni degli esercizi¶
Soluzione 1 – Umidità relativa¶
Dati:
e = 10 hPa
es = 20 hPa
Formula:
UR = (e / es) × 100
UR = (10 / 20) × 100
UR = 50%
Risultato:
50%
Soluzione 2 – Calore latente¶
Dati:
m = 0,002 kg
Lv = 2,5 × 10⁶ J/kg
Formula:
Q = m × Lv
Q = 0,002 × 2,5 × 10⁶
Q = 5000 J
Risultato:
5000 joule
Soluzione 3 – Nuclei di condensazione¶
Forniscono superfici sulle quali il vapore acqueo può condensare, facilitando la formazione delle goccioline.
Soluzione 4 – Acqua sopraffusa¶
È acqua che rimane allo stato liquido anche a temperature inferiori a 0 °C.
Soluzione 5 – Bergeron-Findeisen¶
La pressione di saturazione rispetto al ghiaccio è inferiore a quella rispetto all'acqua liquida alla stessa temperatura sottozero.
In determinate condizioni il vapore si deposita sui cristalli di ghiaccio mentre le goccioline possono evaporare.
Soluzione 6 – Coalescenza¶
Due o più goccioline entrano in contatto e si uniscono formando una goccia più grande.
Soluzione 7 – Grandine¶
Le correnti ascendenti possono mantenere i chicchi all'interno della nube e favorire il contatto con acqua sopraffusa, consentendo l'accrescimento del ghiaccio.
Soluzione 8 – Graupel¶
Il graupel deriva principalmente dal congelamento di goccioline sopraffuse sulla superficie di cristalli di neve.
La grandine cresce attraverso processi di accrescimento del ghiaccio in condizioni convettive favorevoli, spesso con ripetuti contatti con acqua sopraffusa.
Soluzione 9 – Virga¶
Le particelle attraversano uno strato atmosferico secco e possono evaporare o sublimare prima di raggiungere il terreno.
Soluzione 10 – Conversione¶
1 mm = 1 litro/m²
15 mm = 15 litri/m²
Soluzione 11 – Volume¶
Dati:
A = 200 m²
h = 10 mm = 0,010 m
Formula:
V = h × A
V = 0,010 × 200
V = 2 m³
Conversione:
2 × 1000 = 2000 litri
Risultato:
2000 litri
Soluzione 12 – Intensità¶
Dati:
P = 10 mm
t = 20 minuti = 1/3 ora
Formula:
I = P / t
I = 10 / (1/3)
I = 30 mm/h
Risultato:
30 mm/h
Soluzione 13 – Pluviometro¶
L'acqua viene raccolta in due piccoli contenitori oscillanti.
Quando uno raggiunge una quantità prestabilita si ribalta.
Il dispositivo registra il movimento e permette di ricavare la precipitazione accumulata.
Soluzione 14 – Radar¶
La riflettività radar rappresenta la capacità delle particelle atmosferiche di retrodiffondere l'energia elettromagnetica trasmessa dal radar.
È espressa comunemente in dBZ.
Soluzione 15 – Neve¶
Perché la densità della neve varia.
Neve leggera contiene molta aria, mentre neve bagnata e compatta contiene più acqua a parità di volume.
28. Glossario¶
| Termine | Significato |
|---|---|
| Evaporazione | Passaggio dell'acqua dallo stato liquido a quello aeriforme |
| Traspirazione | Rilascio di vapore acqueo da parte delle piante |
| Evapotraspirazione | Somma di evaporazione e traspirazione |
| Condensazione | Passaggio dal vapore al liquido |
| Deposizione | Passaggio diretto dal vapore al solido |
| Sublimazione | Passaggio diretto dal solido al vapore |
| Umidità relativa | Rapporto tra pressione effettiva e pressione di saturazione |
| Nuclei di condensazione | Particelle che favoriscono la formazione delle goccioline |
| Nuclei di ghiacciamento | Particelle che favoriscono la formazione del ghiaccio |
| CCN | Cloud Condensation Nuclei |
| Acqua sopraffusa | Acqua liquida a temperatura inferiore a 0 °C |
| Calore latente | Energia associata a un cambiamento di stato |
| Bergeron-Findeisen | Processo di crescita dei cristalli di ghiaccio nelle nubi miste |
| Collisione | Incontro tra particelle durante il movimento |
| Coalescenza | Unione di due o più goccioline |
| Accrezione | Crescita di una particella per raccolta e congelamento di goccioline |
| Graupel | Particella di neve ricoperta da ghiaccio opaco |
| Grandine | Chicco di ghiaccio formato in nubi convettive |
| Virga | Precipitazione che evapora o sublima prima del suolo |
| Pluviometro | Strumento per misurare la precipitazione |
| Pluviometro a bascula | Strumento automatico con contenitori oscillanti |
| Intensità | Quantità di precipitazione nell'unità di tempo |
| SWE | Equivalente in acqua della neve |
| Riflettività radar | Misura della capacità delle particelle di retrodiffondere energia radar |
| dBZ | Unità logaritmica utilizzata per la riflettività radar |
29. Riepilogo della lezione¶
I concetti fondamentali da ricordare sono:
- Il ciclo idrologico comprende evaporazione, traspirazione, condensazione e precipitazione.
- Le nubi contengono goccioline liquide, cristalli di ghiaccio o entrambi.
- I nuclei di condensazione favoriscono la formazione delle goccioline.
- Il raffreddamento dell'aria può portare alla saturazione.
- La condensazione libera calore latente.
- L'acqua sopraffusa può rimanere liquida sotto 0 °C.
- I cristalli di ghiaccio possono crescere per deposizione.
- Il processo Bergeron-Findeisen è importante nelle nubi miste.
- Collisione e coalescenza favoriscono la crescita delle gocce nelle nubi calde.
- La neve deriva dalla crescita e dall'aggregazione dei cristalli di ghiaccio.
- Il graupel si forma per congelamento di goccioline sopraffuse sui cristalli.
- La grandine cresce nelle condizioni favorevoli dei cumulonembi.
- La virga evapora o sublima prima di raggiungere il terreno.
- La precipitazione si misura in millimetri.
- Un millimetro di precipitazione equivale a un litro per metro quadrato.
- Il pluviometro misura la precipitazione al suolo.
- Il radar permette di osservare e seguire i sistemi precipitanti.
- I satelliti meteorologici consentono di osservare la distribuzione e l'evoluzione delle nubi.
Concetto chiave: la formazione delle precipitazioni è il risultato di processi microfisici che trasformano il vapore acqueo in goccioline e cristalli, ne favoriscono la crescita e consentono loro di raggiungere la superficie terrestre.
30. Collegamento con la lezione successiva¶
La prossima lezione sarà dedicata alla lettura delle carte meteorologiche e alla previsione del tempo.
Studieremo:
- carte sinottiche al suolo;
- carte in quota;
- isobare e geopotenziale;
- fronti e sistemi depressionari;
- carte a 850, 700, 500 e 300 hPa;
- temperature e umidità in quota;
- correnti a getto;
- mappe delle precipitazioni;
- radar e satelliti;
- modelli numerici di previsione;
- interpretazione di una previsione meteorologica;
- limiti e incertezze delle previsioni.
L'obiettivo sarà imparare a leggere una carta meteorologica e ricavare informazioni utili sull'evoluzione del tempo.