formazione e classificazione delle nubi...formazione delle nubi lo stato di comfort o di disagio del...

Daniele Izzo – CENTRO EPSON METEO

FORMAZIONE

E

CLASSIFICAZIONE DELLE NUBI

Nubi e precipitazioni

Le nubi sono agglomerati visibili di particelle

d’acqua allo stato liquido (goccioline) o solido

(cristalli di ghiaccio) in sospensione nell’atmosfera

Le precipitazioni hanno origine quando in una nube

le goccioline d’acqua o i cristalli di ghiaccio iniziano

ad accrescersi: ad un certo punto il loro peso sarà

tale da farli precipitare verso il suolo

Senza vapore acqueo nell’atmosfera

non esisterebbero nubi e precipitazioni

Il vapore acqueo

Il vapore acqueo è presente quasi esclusivamente nella troposfera e sebbene la sua concentrazione sia piuttosto modesta (1-10 grammi per kg di aria umida), il suo ruolo in atmosfera è fondamentale

L’aria ha un contenuto di vapore nella percentuale massima del 4% in volume, con ampie variazioni sia nel tempo che nello spazio

E’ l’unico tra i gas atmosferici a subire cambiamenti di stato nell’intervallo di pressione e temperatura che si osservano in atmosfera: la maggior parte dell’H2O si trova sotto forma di vapore

Formazione delle nubi

Perché si abbia condensazione o sublimazione del

vapore acqueo deve essere raggiunta la condizione di

saturazione (umidità relativa = 100%)

La formazione delle nubi è sempre legata a un processo di condensazione o di sublimazione del vapore acqueo presente nell’atmosfera, che dà origine alle goccioline o ai cristalli di ghiaccio.

Un dato volume d’aria si dice saturo quando ha raggiunto la

massima quantità di vapore che può contenere ad una data

temperatura e pressione (vapor saturo)

Formazione delle nubi

Se in una data massa d’aria in condizioni di

saturazione l’umidità aumenta ulteriormente, il vapore

in eccesso condensa in goccioline d’acqua

Il livello di saturazione, ossia la quantità massima di

vapore acqueo che può essere contenuta in un data

massa d’aria dipende dalla temperatura:

quanto più elevata è la temperatura, tanto maggiore è la quantità massima di vapore acqueo che può essere contenuta in quel volume d’aria.

Formazione delle nubi

In particolare, se la massa d’aria satura si trova in

prossimità del suolo (p=1000 hPa), la quantità massima

di vapore acqueo che può essere contenuta in 1

chilogrammo di aria satura in funzione della

temperatura è quella riportata nella seguente tabella:

T (°C) -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

Q (gv/kg) 0,08 0,2 0,8 1,8 3,7 7,5 14,5 26 45

Formazione delle nubi

L’umidità relativa U è la grandezza igrometrica che

esprime la vicinanza dell’aria alla saturazione.

U = mv/mvs

È definita come il rapporto percentuale tra la quantità di vapore mv contenuta in un certo

volume d’aria e la quantità massima di vapore mvs

(vapor saturo) che vi può essere contenuta:

U = 100% aria satura U = 0% aria completamente secca

Formazione delle nubi

U = mv/mvs

L’umidità relativa cresce all’aumentare della

temperatura e viceversa

L’umidità relativa ha un andamento giornaliero: tende a

salire durante la notte e a scendere durante il giorno

L’umidità relativa contribuisce a determinare la

velocità di evaporazione dell’acqua: all’aumentare di U

il processo di evaporazione rallenta, fino ad annullarsi

quando l’umidità raggiunge il 100%

Formazione delle nubi

Lo stato di comfort o di disagio del nostro organismo

dipende dall’umidità relativa dell’aria:

gli esseri viventi infatti “sentono” non la quantità

effettiva di vapore presente nell’aria bensì la

vicinanza o meno dell’aria alla saturazione

CALDO + UMIDITA’ = AFA !

Negli ambienti chiusi con una temperatura di 20 °C, l’umidità relativa ottimale dal punto di vista

del comfort fisiologico è intorno al 60%

Formazione delle nubi

raffreddamento della massa d’aria

umidificazione della massa d’aria; l’aumento di

umidità può avvenire o grazie all’evaporazione di una

superficie liquida, ad esempio marina, oppure dal

rimescolamento con una massa d’aria più umida

La saturazione di una massa d’aria e quindi la condensazione del vapore può essere raggiunta attraverso due meccanismi:

La maggior parte delle nubi si formano

da processi di raffreddamento

Formazione delle nubi

Al diminuire della temperatura, l’aria si avvicina alla saturazione dato che diminuisce la quantità massima di vapore mvs che l’aria può contenere

All’aumentare del vapore acqueo mv, la massa d’aria si avvicinerà alla saturazione dato che contemporaneamente rimane costante la quantità massime di vapore mvs che l’aria potrà contenere

Ipotesi U = mv/mvs = 80%

Obbiettivo U = 100 % (mv = mvs)

Formazione delle nubi

Raffreddamento isobarico: perdita di calore a pressione

costante (stessa quota) verso il suolo o masse d’aria adiacenti

più fredde

Raffreddamento adiabatico (o espansione adiabatica): è

prodotto dal sollevamento della massa d’aria che incontrando

pressioni via via minori (la pressione atmosferica diminuisce con

la quota) essa subirà un processo di espansione adiabatica (PV

= cost) con conseguente raffreddamento (V/T = cost) di 1 °C

ogni 100 metri

Il raffreddamento di una massa d’aria può essere ottenuto mediante i seguenti processi:

Formazione delle nubi

Il raffreddamento isobarico è un fenomeno abbastanza frequente che porta alla formazione sia di nubi stratiformi che di nebbie:

Il raffreddamento adiabatico porta alla formazione di nubi cumuliformi quando il sollevamento è intenso e prosegue per diversi chilometri verso l’alto

Nel caso delle nebbie è la superficie terrestre che più fredda

(per irraggiamento o perché gelata) sottrae calore alla massa

d’aria sovrastante portandola alla saturazione

Nel caso delle nubi il raffreddamento avviene per

irraggiamento di uno strato d’aria umido verso strati superiori

più secchi e trasparenti alla radiazione termica infrarossa.

Formazione delle nubi

sollevamento convettivo

sollevamento ciclonico

sollevamento orografico o forzato

sollevamento frontale

La maggior parte delle nubi si formano

per raffreddamento adiabatico

Diverse possono essere le cause meteorologiche

all’origine del sollevamento adiabatico:

Formazione delle nubi

Il sollevamento convettivo si origina quando dal suolo surriscaldato dal sole si staccano bolle d’aria calda che, per via della loro minore densità rispetto all’ambiente circostante, vengono sospinte verso l’alto dalla forza di galleggiamento (spinta di Archimede)

Formazione delle nubi

Il sollevamento orografico nasce quando una massa d’aria in movimento orizzontale incontra un ostacolo orografico (tipicamente una catena montuosa) che forza il sollevamento.

Il Föhn nasce dal sollevamento orografico

Formazione delle nubi

Stau: sollevamento forzato di una massa d’aria umida sul lato

sopravvento ad una catena montuosa con formazione di nubi e

precipitazioni

Föhn: intenso e secco vento da nordovest che discende lungo il

versante padano delle Alpi fino raggiungere anche la pianura

Formazione delle nubi

Formazione delle nubi

Il sollevamento ciclonico si origina da una diminuzione

della pressione al suolo a seguito di una divergenza di

aria nell’alta atmosfera la bassa pressione richiama

aria dalle zone adiacenti la cui convergenza sul luogo

causa i moti verticali ascendenti

Formazione delle nubi

Il sollevamento frontale si origina dallo scontro di masse d’aria aventi temperature differenti. Si possono presentare due distinte situazioni:

Fronte caldo: una massa d’aria

calda in movimento verso una

zona occupata da aria più fredda

Fronte freddo: una massa d’aria

fredda in movimento verso regioni

occupate da aria più calda

Formazione delle nubi

Il fronte caldo è la linea ideale che delimita al suolo l’invasione di aria calda verso aree prima occupate da aria più fredda: l’aria calda è costretta a scivolare sopra quella fredda

Formazione delle nubi

Il fronte freddo è la linea ideale che delimita al suolo l’invasione di aria fredda verso aree prima occupate da aria più calda: l’aria fredda si incunea sotto quella calda che violentemente si solleva

In una nube ogni goccia contiene in media 500 miliardi di molecole d’acqua. Come è stato possibile metterle insieme?

L’incontro casuale e istantaneo di miliardi di molecole di vapore acqueo sarebbe possibile soltanto se il numero di molecole fosse di gran lunga superiore a quello che si riscontra normalmente in natura in condizioni di saturazione:

in particolare, in 1 cm3 di aria, si formerebbe una goccia ogni 1000 anni se la concentrazione di vapore fosse 3 volte quella di saturazione, una goccia all’anno per saturazioni 4 volte superiori e 1000 gocce all’anno per concentrazioni quintuple

Formazione delle gocce e dei cristalli di ghiaccio

La sola condizioni di saturazione non è sufficiente per la formazione delle goccioline di una nube

Anche immaginando che si sia formata una goccia, affinché rimanga stabile nel tempo occorrono valori elevati di sovrasaturazione (U = 300-500%): solo in queste condizioni la tensione di vapor saturo E dell’aria riesce a mantenere in equilibrio una goccia.

Formazione delle gocce e dei cristalli di ghiaccio

Formazione delle gocce e dei cristalli di ghiaccio

La presenza in atmosfera di quantità sempre largamente sufficienti di nuclei igroscopici (particelle di pulviscolo con caratteristiche igroscopiche) è il motivo per cui non si osservano mai valori elevati di sovrasaturazione e la condensazione avviene in condizioni vicine al punto di saturazione, raramente superiori a 101-102%

Gran parte delle particelle di pulviscolo atmosferico, con dimensioni comprese tra 0,1 e 4 micron, funge da nucleo di condensazione, ovvero agevola il “coagulo”, delle molecole di vapore acqueo in microscopiche goccioline

Formazione delle gocce e dei cristalli di ghiaccio

Nucleazione eterogenea: formazione di

goccioline a partire dalla condensazione del

vapore sui nuclei igroscopici

Nucleazione omogenea: formazione di

goccioline a partire dalla semplice

condensazione del vapore in presenza di

elevate valori di sovrasaturazione o

temperature fortemente negative

In assenza di nuclei igroscopici la condensazione avviene soltanto se si raffredda la massa d’aria già satura al di sotto di -40 °C oppure in presenza di sovrasaturazione dell’ordine dell’800%.

Formazione delle gocce e dei cristalli di ghiaccio

nuclei di condensazione: nuclei attivi a temperature positive che favoriscono la formazione di goccioline in seguito alla condensazione del vapore

nuclei glaciogeni: nuclei attivi a temperature negative che agevolano la formazione di cristalli di ghiaccio. Se la formazione avviene a partire dal congelamento di goccioline sopraffuse i nuclei glaciogeni sono detti di ghiacciamento, mentre nel caso di formazione di cristalli direttamente dalla sublimazione del vapore acqueo i nuclei glaciogeni sono detti di sublimazione

I nuclei igroscopici possono essere classificati distinguendo tra i nuclei attivi a temperature positive e quelli attivi a temperature negative:

Formazione delle gocce e dei cristalli di ghiaccio

Le neonate goccioline, formatesi intorno al nucleo di condensazione, hanno diametri di qualche decina di micron:

5-10 micron nelle nebbie

30-50 micron nelle nubi stratiformi

60-80 micron nelle nubi cumuliformi, ma

fino a 200 micron nei cumulonembi

Nubi calde, nubi fredde e nubi miste

Una nube che si trovi completamente al di sotto dell’isoterma di 0°C prende il nume di nube calda: è evidente che una nube calda sarà costituita solo da goccioline di acqua liquida

Una nube che si estende sopra l’isoterma di 0 °C è chiamata nube fredda

Se la quota dell’isoterma di 0 °C e lo spessore della nube sono tali che quest’ultima presenta la sua parte inferiore nel campo delle temperature positive e quella superiore in quello delle temperature negative, la nuvola prende il nome di nube mista

Nubi fredde

Nelle nubi a temperature inferiore a 0 °C gran parte delle gocce rimangono comunque allo stato liquido: fenomeno della sopraffusione

Nello strato di atmosfera tra 0 e -10 °C una nube fredda è costituita quasi esclusivamente da goccioline liquide

Per temperature inferiori a -10 °C prevalgono invece i cristalli di ghiaccio

Per temperature prossime o inferiori a -40 °C tutta la nube è costituita da cristalli di ghiaccio

Nubi fredde

I cristalli di ghiaccio possono formarsi grazie a cinque diversi meccanismi di nucleazione che può essere omogenea o eterogenea:

Nubi fredde

La formazione spontanea di aghi di giaccio da goccioline liquide di acqua pura avviene solo a temperature molto basse, prossime o inferiori a -40 °C: in particolare gocce con raggio inferiore a 5 micron congelano spontaneamente a temperature inferiori o prossime a -40 °C, mentre gocce con raggi maggiori di 5 micron congelano a temperature leggermente superiori a -40 °C.

La nucleazione eterogenea, che richiede la presenza di nuclei glacioceni, avviene a temperature maggiori di -40 °C con un amassimo di efficienza attorno a -15 °C

TIPI DI NUBI

Le nubi viste dal satellite

meteorologico sembrano tutte

uguali ma in realtà

presentano una

grande varietà

di forme e

dimensioni.

Tipi di nubi

intervallo di quote generalmente occupate nel loro sviluppo verticale

rapporto caratteristico tra dimensioni orizzontali e estensioni verticali

La classificazione delle nubi è fatta in base a :

Tipi di nubi

Nubi alte: tra 5 e 13 km

Nubi medie; tra 2 e 7 km

Nubi basse: tra 0 e 2 km

Le nubi vengono suddivise a seconda che occupino quote dell’alta, della media o della bassa troposfera

Classificazione per quota occupata :

Tipi di nubi

In realtà questa suddivisione dipende dalla latitudine:

regioni polari

medie latitudini

regioni tropicali

nubi alte 3-4 km 5-13 km 6-18 km

nubi medie 2-4 km 2-7 km 2-8 km

nubi basse 0-2 km 0-2 km 0-2 km

Alle medie latitudini solitamente: nubi alte: aghi di ghiaccio

nubi basse: gocce d’acqua

nubi medie: miste (a seconda della latitudine possono presentare l’uno o l’altro aspetto oppure una loro coesistenza)

Nubi Cumuliformi e Nubi Stratiformi

Classificazione in relazione al rapporto

tra dimensioni orizzontali e verticali:

nubi cumuliformi: altezza (H) ≥ larghezza (B); alte, medie o basse

nubi stratiformi: H < B; alte, medie o basse

nubi stratocumuliformi: H < B ma irregolari; medie o basse

Nubi Cumuliformi e Nubi Stratiformi

Nubi cumuliformi

In genere si presentano come nubi isolate associate a moti convettivi. Quando questi moti sono molto intensi l’estensione verticale supera quella orizzontale: è il caso delle nubi temporalesche che a volte superano la troposfera. La loro formazione può essere anche legata al sollevamento forzato da una catena montuosa o quando aria calda e umida viene violentemente sollevata da aria più fredda in veloce movimento orizzontale (fronte freddo). Le nubi cumuliformi possono essere alte, medie o basse.

Nubi Cumuliformi e Nubi Stratiformi

Nubi stratiformi

Hanno un aspetto uniforme e non sono animati

da moti convettivi. Le nubi stratiformi, molto simili

agli estesi banchi di nebbia, si formano per

raffreddamento isobarico, avvezione di aria calda

al di sopra di uno strato d’aria più fredda o per

lenta risalita di aria dal suolo al di sopra di una

massa d’aria più fredda (fronte caldo). Le nubi

stratiformi possono essere alte, medie o basse.

Nubi Cumuliformi e Nubi Stratiformi

Nubi stratocumuliformi

Presentano un sviluppo orizzontale predominante rispetto a quello verticale, ma manifestano una irregolarità di spessore che richiama l’aspetto delle nubi cumuliformi, evidenziando una debole convezione in un’atmosfera essenzialmente stabile

Classificazione delle nubi

Nel 1956 l’Organizzazione Meteorologica Mondiale (OMM) ha pubblicato l’Atlante Internazionale delle Nubi (International Cloud Atlas), un moderno sistema di classificazione che distingue le nubi in:

generi

specie

varietà

particolarità supplementari e nubi accessorie

nubi generatrici

I 10 generi

Cirrus

Cirrocumulus

Cirrostratus

Altocumulus

Altostratus

Stratocumulus

Stratus

Nimbostratus

Cumulonimbus

Cumulus

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

metri

I 10 generi

generi del livello alto: cirrus (Ci), cirrocumulus (Cc), cirrostratus (Cs)

generi del livello medio:

altocumulus (Ac), altostratus (As)

generi del livello basso:

stratocumulus (Sc), stratus (St)

I 10 generi

generi a forte sviluppo verticale: nimbostratus (Ns) cumulus (Cu) cumulonimbus (CB)

cirri

cirri

cirrostrati

cirrostrati

cirrocumuli

cirrocumuli

altostrati

altostrati

altocumuli

altocumuli

stratocumuli

strati

strati

nembostrati

nembostrati

nembostrati

cumuli

cumuli

cumulo humilis

cumulo humilis

cumulo humilis

cumulo humilis

cumulo mediocris

cumulo mediocris

cumulo congestus

cumulo congestus

cumulo congestus

cumulo fractus

cumulo fractus

cumulo fractus

I cumulonembi

I cumulonembi