Corso meteorologia
2015
Lezione 05 del 26/11/2014
P. Randi
R. Ghiselli
PIOGGIA FORMAZIONE
Ciò che differenzia le nubi dalla pioggia è la
dimensione delle goccioline d'acqua di cui sono
composte.
Nelle nubi si hanno gocce di diametro fino a 100
micron (1 micron=0.001mm), mentre le gocce di
pioggia vanno dai 200 micron del drizzle fino a 23 mm.
Ovviamente è la condensazione del vapore
acqueo che produce tali goccioline, ma ci sono
fenomeni interessanti e complicati da scoprire.
PIOGGIA FORMAZIONE
• Quando la condensazione produce una
goccia, è necessario che quest'ultima
abbia un diametro superiore ad un certo
valore di soglia, altrimenti rievapora.
• Esiste quindi una sorta di barriera
energetica da superare per giungere alla
formazione di una goccia che rimanga
tale in modo permanente.
PIOGGIA FORMAZIONE
• In presenza di acqua pura in forma gassosa,
l'esistenza di questa soglia critica impedisce
la formazione delle gocce: infatti, sono
richiesti valori di sovra-saturazione non
raggiunti normalmente in atmosfera ( i
valori di umidità relativa dovrebbero
arrivare all'800%).
• Sotto a questi valori, una goccia che si
forma, evapora immediatamente.
PIOGGIA FORMAZIONE
• Affinché avvenga il processo di condensazione
con conseguente formazione di gocce di nube
permanenti è necessaria la presenza di
impurità, dette nuclei di condensazione.
• Questi altro non sono che sali (es. sali marini),
solfati o polveri di diametro variabile dai 0.001
micron ad oltre 1 mm.
• I nuclei di condensazione sono responsabili di
due processi
• 1. Effetto soluto
• 2. Effetto curvatura
Nuclei di condensazione
EFFETTO SOLUTO
• L'effetto soluto consiste nello scioglimento dei nuclei
di condensazione in acqua. La soluzione che si forma
favorisce la condensazione.
• In pratica non sono più necessari valori irrealistici di
umidità relativa, ma valori prossimi (inferiori) al 100%
sono sufficienti per formare le prime piccole gocce di
nube.
• Grazie alla presenza del soluto, le gocce che si
formano non rievaporano.
EFFETTO SOLUTO
EFFETTO CURVATURA
•L'effetto curvatura è legato alla
presenza di superfici concave dei
nuclei di condensazione sui quali
si deposita l'acqua.
•Una superficie concava è
favorevole ad indurre la
condensazione.
EFFETTO CURVATURA
PIOGGIA FORMAZIONE
PIOGGIA FORMAZIONE
• A questo punto abbiamo la cosiddetta
haze droplet.
• Quando poi, a causa di un ulteriore
incremento dell'umidità relativa la goccia
d'acqua supera una certa dimensione si
genera un processo di accrescimento
spontaneo che la portano ad avere la
dimensione della goccia di nube.
PIOGGIA FORMAZIONE
• Siamo così giunti alle nubi, nelle quali esiste un
equilibrio dinamico: le goccioline d'acqua
cadono a causa della forza di gravità, ma
uscendo dalla nube entrano in un ambiente
non saturo e quindi evaporano rapidamente
senza raggiungere il suolo (talvolta si vedono
queste scie di caduta, dette virga).
• Affinché dalle nubi si generi la precipitazione
sono necessarie gocce più grosse, generate da
appropriati processi di accrescimento.
PIOGGIA FORMAZIONE
VIRGA
PIOGGIA FORMAZIONE
• Alle medie latitudini, le nubi
normalmente si estendono anche al di
sopra del livello dello zero termico.
• Si ha quindi a che fare con cold cloud
(nubi fredde) in cui possono essere
presenti, oltre alla gocce d'acqua,
anche cristalli di ghiaccio.
PIOGGIA FORMAZIONE
Teoria di Bergeron-Findeisen
• La teoria attualmente accettata che
spiega la formazione della
precipitazione nelle nubi fredde è la
teoria di Bergeron.
• Supponiamo di avere una nube di
sole gocce d'acqua. Queste sono in
equilibrio con il vapore (condizione
di saturazione).
• Se introduco in questo ambiente un
cristallo di ghiaccio, allora avrò che
il vapore, in equilibrio con l'acqua,
si trova invece in condizioni di
sovra-saturazione rispetto al
ghiaccio.
• Ciò è dovuto al fatto che la tensione
di saturazione del vapore rispetto al
ghiaccio è inferiore a quella del
vapore rispetto all'acqua.
Cristalli di ghiaccio
Cristalli di ghiaccio
Temperatura ambiente
0/-4°C
-4/-6°C
-6/-10°C
-10/-12°C
-12/-16°C
-16/-22°C
-22/-40°C
Forma
Piastrine sottili
Aghi
Colonne
Piastrine
Dendriti, Piastrine
Piastrine spesse
Aghi cavi
Teoria di Bergeron-Findeisen
Crescita dei cristalli di ghiaccio in una nube mista
Particelle di ghiaccio
crescono a spese delle
goccioline
Cristallo entra in una zona con gocce
L’acqua è sovrasatura rispetto al ghiaccio
Diffusione del vapore acqueo sul cristallo
La nube sarà sub-satura rispetto all’acqua
Goccioline evaporano per aumentare il vapore acqueo
Crescita dei cristalli di ghiaccio in una nube mista
Teoria di Bergeron-Findeisen
Aggregazione:
Cristalli di ghiaccio, più
grandi, cadono nella
nube a maggiore
velocità catturando
cristalli più piccoli
ingrandendosi
ulteriormente. Più
frequente nella parte
inferiore delle nubi.
Teoria di Bergeron-Findeisen
Accrezione o Riming:
Il cristallo di ghiaccio,
più pesante, cade nella
nube catturando le
goccioline sopraffuse
che al contatto
solidificano
istantaneamente;
effetto “galaverna”.
Produce spesso
“graupel” importante
nella formazione della
grandine.
Aggregazione
PIOGGIA FORMAZIONE
• Ma da dove arriva il cristallo?
• Se la nube è sufficientemente spessa,
allora nella sua parte sommitale
avremo anche cristalli di ghiaccio.
• Altrimenti, il cristallo può giungere
cadendo da nubi sovrastanti, tipo cirri.
PIOGGIA FORMAZIONE
Acqua sopraffusa, strano ma vero
• Nelle nubi fredde, oltre ai cristalli di ghiaccio
che vengono nucleati intorno ad impurità
presenti nell’aria (nuclei glaciogeni che sono i
“fratelli” dei nuclei di condensazione) può
esistere acqua sopraffusa, vale a dire liquida
pur con temperature molto al di sotto dello
0°C.
• Ciò avviene quando l’acqua è pura ed
assolutamente in quiete.
L’acqua è pigra
• L’acqua è pigra e non vuole cambiare stato se non sollecitata
e spinta a farlo.
• Se si perturba lo stato di quiete (agitando il liquido o
introducendovi un corpo estraneo come un cristallo di
ghiaccio) si provoca l'immediata solidificazione delle gocce.
• Il liquido è così detto in condizione metastabile.
• L'acqua può quindi rimanere allo stato liquido fino a -40 °C in
assenza di nuclei glaciogeni. La presenza di acqua sopraffusa a
temperature inferiori a 0 °C è molto probabile tra 0 °C e 12 °C, poco probabile tra -12 °C e -20 °C e rara tra -20 °C e 40 °C. Oltre -42 °C è impossibile.
Un esempio: la galaverna
RIMING
COALESCENZA
• A latitudini più basse, se la nube non
supera il livello dello zero termico (nube
calda), il processo che porta alla
formazione della pioggia è detto
coalescenza.
• Questo fenomeno, secondario nelle nubi
fredde, si basa sulla presenza di gocce
d'acqua di nube di differenti dimensioni
COALESCENZA
• Gocce di dimensioni diverse hanno
velocità di caduta diversa.
• Si producono quindi frequenti collisioni e
successive unioni fra gocce, che generano
gocce sufficientemente grandi per
precipitare fino al suolo.
• L'efficienza delle collisioni dipende dai
diametri delle gocce che si urtano.
COALESCENZA
COALESCENZA
COALESCENZA
Coalescenza
LA FORMA DELLE GOCCE
TIPI DI PRECIPITAZIONE
• Pioggia= gocce di diametro uguale o superiore
a 0.5 mm
• Pioviggine= gocce di diametro inferiore a 0.5
mm (in genere prodotte dagli strati dove le
correnti ascensionali sono molto deboli.
• Rovesci= precipitazioni di gocce di pioggia
grosse, neve o grandine con elevato numero
nell'unità di tempo, tipici dei cumulonembi.
TIPI DI PRECIPITAZIONE
PIOGGIA
NEVE
NEVE
Qualche falso mito da sfatare
• Nevica solo con zero gradi. No, la neve può cadere anche con
temperature molto al di sotto dello zero o di qualche grado sopra;
dipende dalle temperature tra il suolo ed i primi 1500 m.
• Vero che la neve che cade con temperature intorno allo zero è di
solito più soffice, abbondante, attecchisce facilmente ed ha fiocchi
più grandi, ma non nevica solo con 0°C.
• Non nevica perché fa troppo freddo. No, non ci sono limiti di
freddo per le nevicate; ai poli si hanno nevicate con temperature
anche di -50°C, mentre in Romagna si ebbero nevicate anche con
valori di -7/-9°C (1929-1956-1985). Al limite quando fa molto
freddo i fiocchi sono piccoli e la neve diventa leggera e “polverosa”.
• Piove perché fa troppo freddo per nevicare. No, se piove è perché
le temperature nei bassi strati sono troppo elevate; bastasse il caldo
nevicherebbe in estate!
GRAUPEL O NEVISCHIO
ARIA
CALDA
GRAUPEL O NEVISCHIO
PIOGGIA SOPRAFFUSA O CONGELANTESI
ARIA
CALDA
PIOGGIA SOPRAFFUSA O CONGELANTESI
Pioggia congelantesi
Pioggia congelantesi in
Slovenia febbraio 2014
LA GRANDINE
Da “www.fenomenitemporaleschi.it”
Definizioni
La grandine è definita come una precipitazione di
ghiaccio solido i cui costituenti abbiamo un
diametro superiore ai 0.5 cm
Se il ghiaccio è solido ma di dimensioni
inferiori si parla di “graupel”, “proiettili di
ghiaccio”, “sleet”, …
“Ogni temporale possiede al suo interno la grandine”
Charles Knight - NCAR
“La grandine, sebbene molto raramente, può essere
prodotta anche da nubi NON temporalesche (cioè
senza fulmini e tuoni)”
9 Dicembre 2007 (Cassacco UD)
Come si forma
Alessandro Volta. 1806
La grandine è essenzialmente un fenomeno legato
alla dinamica delle nubi, cioè ai movimenti,
soprattutto verticali (ma non solo), che in esse
hanno luogo
I meccanismi microfisici svolgono comunque
un ruolo fondamentale per permettere la
formazione della grandine
SPEC - CPI
Come si forma – parte dinamica
Perché la grandine si formi è necessario avere:
10 km
-50°
 Intensi moti ascendenti
 Abbondante vapore acqueo nei bassi strati
I moti ascendenti non devono essere
“perfettamente verticali” ma inclinati (shear
verticale del vento) per questo la grandine è un
fenomeno tipico delle “medie latitudini”
-10°
Il vapore acqueo deve essere “confinato” nei bassi
strati atmosferici (mix ratio > 6 g/kg)
-15°
5 km
2 km
+20°
Intermezzo – l’acqua sopraffusa
Poiché l’acqua ha una tensione superficiale
(relativamente) molto grande questo sfavorisce i
suoi cambiamenti di stato
 Il vapore acqueo “fa fatica” a diventare liquido
 L’acqua liquida “fa fatica” a diventare ghiaccio
Nelle nubi è molto frequente trovare
contemporaneamente acqua liquida e ghiaccio
anche a temperature di -10 o -15 °C
L’acqua sopraffusa è instabile: basta una minima
sollecitazione per farla diventare rapidamente
ghiaccio cosa che avviene accompagnata dal
rilascio del calore latente di solidificazione
Acqua
sopraffusa
Ghiaccio
Come si forma – parte microfisica
Acqua sopraffusa
Perché la grandine si formi è necessario avere:
 Acqua sovraffusa (ancora liquida a T > 0 °C)
 Contemporanea presenza di ghiaccio
I moti ascendenti (raffreddamento) favoriscono la
“condensazione” del vapore (tante goccioline)
Il ghiaccio “raccoglie” le goccioline d’acqua
sovraffusa le quali “congelano” rapidamente
rilasciando il calore latente di solidificazione
Ghiaccio
Come si forma – struttura interna
La formazione degli strati opachi e trasparenti:
 Non è dovuta a ricircolo nella nube
2 cm
 Dovuta all’abbondanza di acqua sopraffusa
Tanta acqua sopraffusa rilascia molto calore
latente e il congelamento avviene lentamente e
ordinatamente (e.g., ghiaccioli in frigorifero)
Poca acqua sopraffusa rilascia poco calore latente.
Congelamento avviene velocemente e in maniera
disordinata (e.g., fiocchi di neve)
Poca acqua
sopraffusa
Tanta acqua sopraffusa
Come si forma – i due stadi
La formazione della grandine è molto rapida. In
circa 20’ dalla formazione della nube si può avere
grandine al suolo.
 Primo stadio (lento): formazione dell’embrione
 Secondo stadio (rapido): crescita del chicco
L’embrione, essendo piccolo (< 0.5 cm), può
restare sospeso a lungo nelle nubi o passare da una
nube all’altra
La crescita del chicco (che lo porterà al suolo)
avviene quando l’embrione incontra molta acqua
sovraffusa
2 cm
Come si forma – diversi embrioni
Gli embrioni possono essere di vario tipo:
 Graupel (o ghiaccio irregolare)
 Goccia congelata
2 cm
I diversi tipi di embrione caratterizzano un’area
climatica (NE Italia sono tipicamente graupel)
5 mm
Acqua sopraffusa
Acqua
Vari tipi di chicchi
I chicchi portano con se informazioni
dell’ambiente ove sono cresciuti:
San Quirino (PN - Italia) 04 giugno 1999
 Forma sferica indica rotazione del chicco
 I chicchi più grossi sono generalmente irregolari
 I lobi indicano sovrabbondanza di acqua
sopraffusa
Povoletto (UD - Italia) 29 giugno 2005
Coffeyville (Kansas - USA) 03 settembre 1970
Aurora (Nebraska - USA) 22 giugno 2003
La grandine e i temporali verdi
Generalmente si ritiene che la grandine sia
associata a temporali con sfumature verdi in parti
della nube
In realtà la colorazione verde si riesce a spiegare
ricorrendo solamente a due meccanismi:
 Colorazione rossastra della luce al tramonto o
che filtra attraverso nubi pre-esistenti
 Rifrazione della luce effettuata dalle
goccioline d’acqua
Non si può escludere che la grandine giochi un
ruolo, ma non sembra indispensabile
La grandine nelle nubi
Spesso si notano virghe di colore bianco, specie nella parte posteriore del temporale