Lezione 05 del 26/11/2014 P. Randi R. Ghiselli

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1 Lezione 05 del 26/11/2014 P. Randi R. Ghiselli
Corso meteorologia 2015 Lezione 05 del 26/11/2014 P. Randi R. Ghiselli

2 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 2- 3 mm. Ovviamente è la condensazione del vapore acqueo che produce tali goccioline, ma ci sono fenomeni interessanti e complicati da scoprire.

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4 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.

5 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.

6 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 micron ad oltre 1 mm. I nuclei di condensazione sono responsabili di due processi 1. Effetto soluto 2. Effetto curvatura

7 Nuclei di condensazione

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9 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.

10 EFFETTO SOLUTO

11 Una superficie concava è favorevole ad indurre la condensazione.
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.

12 EFFETTO CURVATURA

13 PIOGGIA FORMAZIONE

14 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.

15 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.

16 PIOGGIA FORMAZIONE VIRGA

17 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.

18 PIOGGIA FORMAZIONE

19 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.

20 Cristalli di ghiaccio

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22 Cristalli di ghiaccio Temperatura ambiente Forma 0/-4°C
Piastrine sottili -4/-6°C Aghi -6/-10°C Colonne -10/-12°C Piastrine -12/-16°C Dendriti, Piastrine -16/-22°C Piastrine spesse -22/-40°C Aghi cavi

23 Teoria di Bergeron-Findeisen

24 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 Cloud ParametrizationClouds 1 24

25 Crescita dei cristalli di ghiaccio in una nube mista

26 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.

27 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.

28 Aggregazione

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30 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.

31 PIOGGIA FORMAZIONE

32 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.

33 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.

34 Un esempio: la galaverna

35 RIMING

36 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

37 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.

38 COALESCENZA

39 COALESCENZA

40 COALESCENZA

41 Coalescenza

42 LA FORMA DELLE GOCCE

43 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.

44 TIPI DI PRECIPITAZIONE

45 PIOGGIA

46 NEVE

47 NEVE

48 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 ( ). 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!

49 GRAUPEL O NEVISCHIO ARIA CALDA

50 GRAUPEL O NEVISCHIO

51 PIOGGIA SOPRAFFUSA O CONGELANTESI
ARIA CALDA

52 PIOGGIA SOPRAFFUSA O CONGELANTESI

53 Pioggia congelantesi

54 Pioggia congelantesi in Slovenia febbraio 2014

55 LA GRANDINE Definizioni
Da “ 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)

56 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

57 Come si forma – parte dinamica
2 km 5 km -15° +20° 10 km -50° -10° Perché la grandine si formi è necessario avere: 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” Il vapore acqueo deve essere “confinato” nei bassi strati atmosferici (mix ratio > 6 g/kg)

58 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 Acqua sopraffusa 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

59 Come si forma – parte microfisica
Acqua sopraffusa Ghiaccio 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

60 Come si forma – struttura interna
La formazione degli strati opachi e trasparenti: Non è dovuta a ricircolo nella nube Dovuta all’abbondanza di acqua sopraffusa 2 cm Tanta acqua sopraffusa Poca 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)

61 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 2 cm 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

62 Come si forma – diversi embrioni
Gli embrioni possono essere di vario tipo: Graupel (o ghiaccio irregolare) Goccia congelata I diversi tipi di embrione caratterizzano un’area climatica (NE Italia sono tipicamente graupel) 2 cm 5 mm

63 Acqua sopraffusa Acqua

64 Vari tipi di chicchi I chicchi portano con se informazioni dell’ambiente ove sono cresciuti: Forma sferica indica rotazione del chicco I chicchi più grossi sono generalmente irregolari I lobi indicano sovrabbondanza di acqua sopraffusa San Quirino (PN - Italia) 04 giugno 1999 Povoletto (UD - Italia) 29 giugno 2005 Coffeyville (Kansas - USA) 03 settembre 1970 Aurora (Nebraska - USA) 22 giugno 2003

65 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

66 La grandine nelle nubi Spesso si notano virghe di colore bianco, specie nella parte posteriore del temporale