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Condensazioni e Precipitazioni

Il processo di condensazione è, come abbiamo visto, determinato dal passaggio di stato che porta l'acqua dallo stato gassoso (vapore acqueo) a quello liquido.

Durante questo processo viene rilasciata nell'ambiente una grossa quantità di energia: ~600cal/g, ovvero ~2,5 MJ, corrispondenti a circa 0,7kWh.

Condizioni per la condensazione

Generalmente, in meteorologia, quando si parla di condensazione ci si riferisce, in modo indistinto, sia al processo di condensazionecondensazione vero e proprio che a quello di brinamentobrinamento. I due processi si differenziano solo una differenza di temperatura: positiva nel primo caso (t>0°C), negativa nel secondo.

Il meccanismo che definisce il processo di condensazione non è semplice. E' infatti necessario che siano presenti alcune condizioni, come per esempio la presenza dei nuclei di condensazione. In assenza di questi ultimi, il processo non può aver luogo ed è possibile trovarsi nelle condizioni di aria sovrassatura, cioè con umidità relativa superiore al 100%, fino a punte del 400% senza che la condensazione abbia luogo.

Affinché avvenga la condensazione è necessario che siano soddisfatte le seguenti condizioni:

1. Vi sia un sufficiente contenuto di vapore acqueovapore acqueo nell'aria.

2. Abbia luogo un raffreddamentoraffreddamento dell'aria al di sotto del punto di rugiada.

3. Siano presenti i nuclei di condensazionenuclei di condensazione.

Condizioni per la condensazione

Si osservi inoltre che nel fenomeno della rugiada o della brina, tipici delle stagioni tardo autunnali ed invernali, queste condizioni sono di solito definite dal processo di raffreddamento notturno, specie negli strati inferiori, che porta alla saturazione e nella presenza di superfici piane (foglie o lamiere delle automobili) ove il fenomeno può prendere luogo.

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Si comprende, pertanto, come il processo di raffreddamento, indispensabile affinché la condensazione abbia luogo, risulti favorito dalle seguenti condizioni:

Irraggiamento del calore;

Mescolamento di masse d'aria differenti;

Espansione adiabatica.

Condizioni per la condensazione

Non a caso, il fenomeno della rugiada e della brina, si manifestano a seguito di nottate particolarmente serene, allorché, l'irraggiamento del calore, accumulato durante il giorno, risulta particolarmente intenso, in condizioni di stabilità dell'aria.

La classificazione avviene essenzialmente in funzione del raffreddamento e della quota; si distinguono:

1. Rugiada

2. Brina

3. Nubi

4. Nebbie

Forme di condensazione

La rugiada si manifesta allorché la temperatura dell'aria scende al di sotto del punto di rugiada, cioè se t ≤ tD con t>0°, dove tD rappresenta la temperatura di rugiada dell'aria (dewdew pointpoint) Lo strato interessato dal processo è limitato a qualche decina di centimetri.

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Il processo di brinamento o sublimazione, che porta alla formazione della brina, è del tutto simile al precedente, ma, questa volta, risulta verificata la condizione t ≤ tD < 0. Si parlerà di "frostfrost pointpoint", tF anziché di "dew point".

Brina (frost)

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Le nubi rappresentano la manifestazione del processo di condensazione in quota per effetto del raffreddamento conseguente all‘espansioneespansioneadiabaticaadiabatica a seguito dell'ascesa di una "bolla di aria“. In sostanza, per effetto della riduzione della pressione, la bolla di aria si raffredda fino a che: t ≤ tD.

Nubi

A seconda dei casi le nubi sono costituite da particelle di :

AcquaAcqua (nubi grigiastre)

GhiaccioGhiaccio (nubi bianche)

A rigore va osservato che anche lo spessorespessore della nube gioca un ruolo fondamentale nella sua colorazione, perciò una nube molto spessa può pertanto apparire grigia anche se la temperatura al suo interno è ben al di sotto del punto di gelo.

In teoria, a causa del loro peso, le goccioline di acqua tenderebbero a precipitare, con moto naturalmente accelerato, per effetto della forza di attrazione gravitazionale. In realtà l'attrito dell'aria e la presenza di deboli correnti ascensionali, non ultime quelle convettive, impedisce che questa condizione si realizzi subito.

Le goccioline di acquagoccioline di acqua che compongono la nube presentano un diametro di 0,05mm0,05mm; inoltre non sono ferme, ma, ben presto, raggiungono una velocità detta velocità terminalevelocità terminale che corrisponde a circa 0,25m/s0,25m/s.

Nubi

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Poiché il problema della classificazione delle nubi verrà trattato diffusamente più in avanti, per ora ci accontenteremo di delineare solo gli elementi essenziali della classificazione.

In generale lo stato del cielo viene definito a partire dal tipotipo e dalle caratteristichecaratteristiche della nube nonché dalla frazione di coperturacopertura del cielo.

Le nubi possono essere classificate in base a differenti caratteristiche. Ricordiamo in particolare:

Classificazione delle Nubi

1. Aspetto

2. Sviluppo

3. Altezza

4. Colore:

5. Genesi:

L’osservazione delle nubi consente una prima classificazione in base al loro aspettoaspetto. In particolare distinguiamo:

CirriCirri (Ci);

Cumuli Cumuli (Cu);

StratiStrati (St);

NembiNembi (Nb).

Nubi: aspetto e sviluppo

Per quel che concerne lo svilupposviluppo, ne esistono tre tipologie:

OrizzontaleOrizzontale o stratificato (strato, St);

VerticaleVerticale o cumuliforme (cumulonembo Cb);

MistoMisto(stratocumulo Sc).

l‘altezzaaltezza delle nuvole è evidentemente funzione dell'altezza della troposfera e quindi del luogo in cui avviene l’osservazione. In ogni caso le nubi più alte restano i cirri, mentre quelle più basse sono sempre gli strati. Ne risulta possibile la seguente classificazione (C sta per “cloud”):

AlteAlte (CH)

MedieMedie (CM)

BasseBasse (CL)

Nubi: altezza e colore

Abbiamo già accennato al colorecolore, ed al fatto che questa caratteristica vada presa con una certa cautela. Ad ogni modo, distinguiamo:

BiancheBianche(probabile presenza di ghiaccio)

GrigieGrigie(probabile presenza di acqua)

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Per ciò che concerne la genesi, ovvero la causa di formazione della nube, ricordiamo:

ConvezioneConvezionesono generate da movimenti verticali di masse di aria instabili.

StratiformiStratiformisi possono formare sia dal rimescolamento delle masse di aria che dalla lenta ascesa di una massa d'aria lungo una superficie di discontinuità, condizione questa, tipica del fronte caldo.

OrograficheOrografichesono nubi originate da una massa di aria che, nel tentativo di superare un rilievo, è costretta ad ascendere. Le nubi che si vengono così a formare possono essere a carattere stratificato, se il pendio è piccolo, oppure di tipo cumuliforme, se il pendio è notevole.

Nubi: genesi

Le nubi possono essere studiate anche dai satellitisatelliti, che possono essere di due tipi:

GeostazionariGeostazionari

OrbitantiOrbitanti

Attraverso i satelliti è possibile un monitoraggio continuo, seppur limitato alle sole aree di copertura.

I satelliti geostazionari sono posizionati sull’equatore ed effettuano un intera orbita nel medesimo tempo impiegato dalla terra per effettuare una rotazione. E’ come se fossero fissi.

Lo studio delle nuvole con i satelliti

I satelliti orbitanti, percorrono invece orbite polari o quasi polari.

Effettuano un orbita completa in un intervallo di circa 2 ore.

Analizzano un’area dell’ordine di 300km, consentendo un’analisi dell’intera superficie della terra nell’arco di una giornata, ma riescono ad analizzare uno stesso luogo solo due volte al giorno.

Lo studio delle nuvole con i satelliti

I satelliti possono fornire immagini nel:

VisibileVisibile: utile per fotografare ed identificare le nuvole.

InfrarossoInfrarosso: utile per determinare l’altezza delle nuvole.

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Essendo la nebbia determinata dagli stessi fenomeni che provocano la formazione delle nubi, si tratta, per operare una classificazione, di stabilire quali sono le tipologie di raffreddamento che si possono manifestare in prossimità del suolo.Distinguiamo pertanto:

Nebbia

Nebbia da Radiazione;

Nebbia da Avvezione;

Nebbia da Evaporazione;

Nebbia da Ascesa Orografica.

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E’ determinata dal raffreddamentoraffreddamento, per irraggiamentoirraggiamento, del suolo ed è un fenomeno tipico delle nottate caratterizzate da cielo sereno ed assenza di vento, in un ambiente caratterizzato da un certo tenore di umidità, con atmosfera stabile.

Allorché queste condizioni si protraggono nel tempo, portano all‘inversioneinversionetermicatermica con formazione della rugiada e, successivamente, della foschia prima e della nebbia, sempre più intenza successivamente.

Nebbia da Radiazione

Il fenomeno si manifesta con una certa intensità nelle ore più fredde della giornata (prima dell'alba e dopo il tramonto) e si dissolve nelle ore più calde.Se le condizioni di stabilità dell'atmosfera si protraggono per molti giorni è però possibile che il fenomeno si mantenga per l'intera giornata.Infatti, la presenza di un regime di vento non troppo intenso può portare ad un rimescolamento degli strati superiori dell'aria, determinando spessori di potenza anche superiori ai 100 100 metrimetri.

In talune circostanze (tipiche del Nord Europa) la nebbia può essere trasportata dal vento.

Nebbia da Radiazione

http://www.rap.ucar.edu/staff/tardif/Documents/CUprojects/ATOC5600/fog_characteristics.htm; http://www.usna.edu/Users/oceano/raylee/RLL_cv.html

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Nebbia da Radiazione

http://www.soest.hawaii.edu/MET/Faculty/businger/notes/radiation-fog/web-gif/11.gif

Nebbia da Radiazione

http://image.blog.livedoor.jp/worldkigo/imgs/5/8/58361738.jpg

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Questo tipo di nebbia si forma quando una massa di aria umida scorre sopra una superficie più fredda. E' un processo tipico del mare, nei punti in cui c'è confluenza tra correnti marine calde e fredde, oppure incorrispondenza dell'interfaccia oceano (oppure mare, lago o fiume), più caldo e continente, più freddo.

Il processo che porta alla formazione della nebbia è molto semplice: l'aria calda ed umida si raffredda dal basso e diventa più stabile. Se t ≤ tD si ha la formazione della nebbia.

Nebbia da Avvezione

Questa situazione è tipica delle coste della California, Terranova, Perù e del Cile.

Nebbia da Avvezione

http://www.rap.ucar.edu/staff/tardif/Documents/CUprojects/ATOC5600/fog_characteristics.htm

http://epod.usra.edu/archive/epodviewer.php3?oid=293184

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Nebbia da Avvezione

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Nebbia da Avvezione

E’ un fenomeno poco frequente che si forma sui mari, laghi e fiumi quando l'acqua è più calda dell'aria sovrastante.

Si parla di sea smoke, sea fog o steam fog.

Il fenomeno è tipico della Norvegia e del nord Europa.

Nebbia da Evaporazione

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Nebbia da Evaporazione: sea smoke

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Nebbia da Evaporazione: sea fog

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Nebbia da Evaporazione: steam fog

E’ un fenomeno che si manifesta allorché una massa di aria comincia ad ascendere lungo un pendio e si raffredda al di sotto della temperatura di rugiada.

Nebbia da Ascesa Orografica

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Nebbia da Ascesa Orografica

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Si tratta di effettuare delle misure ad intervalli regolari dei valori della temperatura temperatura del maredel mare e della temperatura di rugiadatemperatura di rugiada dell'aria e, successivamente, di riportarli in grafico in relazione all'istante di misura. Nel punto di intersezione tra le due rette, si determina l'istante più probabile per la formazione della nebbia.

Stima dell’istante di formazione della nebbia

La precipitazioneprecipitazione rappresenta la terza fase del ciclo dell'acqua.

La formazione delle gocce di pioggia è spiegata dalla teoria della coalescenzateoria della coalescenza.

Questa teoria afferma che l'esistenza di nuclei di condensazione più grandi della media dia origine a gocce più grandi caratterizzate da una velocità terminale che non è in grado di mantenere in quota la goccia e che, pertanto, comincia a cadere. Nel processo di caduta quest'ultima finisce con l'urtare altre particelle accrescendo via via di dimensioni, peso, velocità, innescando un processo a catena.

Esistono tre tipi di precipitazione:

PioggiaPioggia

NeveNeve

GrandineGrandine

Precipitazioni

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La pioggiapioggia vera e propria è una precipitazione di gocce di acqua aventi diametro superiore ai 0,5mmsuperiore ai 0,5mm, altrimenti si parla di pioggerellapioggerella (d<0,5mmd<0,5mm).

Si misura in millimetri (mm) con il pluviografo.Si misura in millimetri (mm) con il pluviografo.

Si distinguono:

Pioggie da instabilitàPioggie da instabilitàsono tipici esempi il temporale da instabilità ed il temporale estivo. Nel primo caso l'aria sale a causa dei moti convettivi, condensa, libera calore latente, porta a precipitazione, si condensa nuovamente e genera umidità. Non a caso dopo la pioggia da instabilità aumenta anche la temperatura. Il temporale estivo non nasce a causa di instabilità, ma piuttosto da un impulso di aria fredda che spinge l'aria calda verso l'alto, portando al fenomeno. Non a caso dopo la pioggia la temperatura è diminuita in quanto è cambiata la qualità dell'aria.

Pioggie ciclonichePioggie ciclonichesono le piogge associate alle perturbazioni. Possono essere violente (fronte freddo, cicloni tropicali) o leggere e persistenti (fronte caldo).

Pioggie orografichePioggie orografichesono le precipitazioni che si manifestano a seguito di un'ascesa forzata di una massa di aria. Tipico è il caso della catena montuosa da superare.

Pioggia

Si ha neveneve quando la temperatura scende al di sotto del punto di gelo.

La neve è costituita da cristalli di ghiaccio esagonali, a stella o ramificati, la cui forma dipende strettamente dal contesto termico in cui si formano.

Solitamente la neve porta ad un brusco rialzo della temperatura a causa del calore latente di sublimazione. In caso di temperature molto basse si ha neve secca, che non si presenta a fiocchi.

Neve

La neve si misura in mm equivalenti La neve si misura in mm equivalenti di acqua oppure in centimetri (cm).di acqua oppure in centimetri (cm).

Neve

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La grandinegrandine è formata da sfere o pezzi di ghiaccio di dimensioni comprese tra 55÷÷50mm50mm.

E' spesso associata agli intensi movimenti convettivi tipici dei fenomeni temporaleschi, ovvero quei fenomeni che coinvolgono l'intera troposfera.

Il chicco di grandine è essenzialmente composto da più strati sovrapposti che aderiscono via via ai precedenti allorché nella fase di cumulo di un temporale, le goccioline di acqua sono soggette ad un violento processo di spostamento verticale dalla parte più bassa a quella più alta della nube. Tutto ciò è visibile nell'alternanza degli stratistrati di ghiaccio trasparenteghiaccio trasparente (il processo di congelamento è lento) e ghiaccio opacoghiaccio opaco (il processo di congelamento è rapido e rimane intrappolata dell'aria) che caratterizzano il chicco.

Grandine

Nei diagrammi di seguito riportati in si può osservare come la natura della precipitazione dipenda dall'andamento verticale della temperatura

In particolare sono rappresentati i casi di pioggia, pioggia sopraffusa e nevischio.

Considerazioni sul tipo di precipitazione

Riferimenti

Abate "Lezioni di meteorologia generale" Ed Liguori.Ahrens, "Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment" Brooks & Cole Pub Co.Barry, Chorley "Atmosphere, weather & climate" Ed. Routledge, LondraNOAA “Observing Handbook No.1 Marine Surface Weather Observation”Sannino "Meteorologia Nautica" Ed. Italibrihttp://apollo.lsc.vsc.edu/http://www.meto.govt.uk/education/training/index.htmlhttp://www.nws.noaa.gov/er/akq/May197.htmhttp://www.umfvg.adriacom.it/conferenzesvolte/Hail4web/chicco_strati.jpghttp://www.wrh.noaa.gov/wrhq/01TAs/0105/http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/class/snowtypes4.jpghttp://www.snowcrystals.com/

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Qualche informazione sui Nuclei di Condensazione

10 ÷ 1000 (300)> 10.0Nebbia e goccioline di pioggia

<1 to 10 (1)> 1.0Gigante1 ÷ 1000 (100)0.2 - 1.0Grande

1000÷10000 (1000)< 0.2Piccolo

Numero delle particelle per cm3 e

Range tipico

Raggio approssimativo

(µm)

Tipo di Nucleo di Condensazione

Sono distribuiti quasi ovunque. Sono essenzialmente piccole particelle solide presenti nell’aria e create da:

• Polvere• Vulcani• Fumi da ciminiere di fabbriche• Incendi boschivi• Sali dell’oceano• Solfati provenienti dal fito plancton

Nella tabella seguente viene indicata la loro distribuzione in termini di quantità.

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Nebbia nella bottiglia

Per simulare la formazione della nebbia da radiazione in una bottiglia è necessario disporre di 2 bottiglie con un collo sufficientemente largo da poterci fissare un cubetto di ghiaccio.Si deve riempire una bottiglia a metà con acqua molto calda (non è necessario che bolla!) e la seconda con un paio di centimetri acqua fredda.Dopo un paio di minuti svuotate quasi tutta l’acqua calda lasciandone solo un paio di centimetri.A questo punto sistemate un cubetto di ghiaccio sulle estremità delle due bottiglie ed osservate cosa accade...

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Simbologia utilizzata per la classificazione del grado di copertura del cielo

Simbologia utilizzata per la classificazione delle nubi in funzione dell’altezza

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Forme dei fiocchi di neve

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