Scie di condensazione “contrail” part.2-Nis

La condensazione

(anche detta liquefazione) è il passaggio di fase di una sostanza dallo stato gassoso allo stato liquido.

Una determinata quantità di vapore ad una certa pressione e ad una specifica temperatura è in grado di assorbire solo una quantità limitata di vapore acqueo. Oltre questa quantità, satura, tutto l’apporto supplementare di vapore subisce il fenomeno della condensazione. La quantità massima di vapore acqueo che il volume d’aria può contenere dipende dalla temperatura dell’aria stessa: più tale temperatura è alta, maggiore è la quantità di vapore acqueo che il volume d’aria può contenere.

Si definisce saturo un determinato volume d’aria che possiede la massima quantità di vapore acqueo che può contenere ad una data temperatura. Alla saturazione l’umidità relativa del volume d’aria è pari al 100%.

L’umidità relativa (RH) esprime, attraverso una percentuale, quanto la massa d’aria è lontana dalla saturazione, cioè quanto è lontana dal punto di rugiada. Non fornisce alcuna informazione sul contenuto effettivo di vapore. Ad esempio una umidità relativa dell’80% indica che il volume d’aria contiene l’80% del vapore necessario a renderlo saturo ed è quindi sufficiente un aumento del 20% di vapore acqueo per raggiungere la saturazione.

L’umidità relativa è funzione della saturazione e varia con l’inverso della temperatura:

RH(%)=(VP/SVP)·100

dove:

VP = Vapor Pressure
SVP = Saturation Vapor Pression

Inoltre se un volume d’aria viene raffreddato, mantenendo costante la pressione e la quantità di vapore acqueo, si verifica il passaggio di stato dalla fase gassosa alla fase liquida quando la temperatura dell’aria scende al di sotto di una specifica temperatura: essa è denominata temperatura di rugiada o dew point temperature. Pertanto in un volume d’aria contenente del vapore posso far avvenire il fenomeno della condensazione o immettendo del vapore o raffreddando.

condensazione01

Si prenda un determinato volume d’aria che contiene un’umidità relativa del 50% (lontano dal punto di saturazione). Introducendo del vapore acqueo, dopo un certo periodo di tempo si raggiunge la condensazione poiché il volume d’aria non è più in grado di assorbire il vapore immesso: si è raggiunta l’umidità relativa del 100%.

 

 

condensazione02

Inoltre se si prende un volume d’aria già condensato (cioè contenente il 100% di umidità relativa) e lo si riscalda, dopo un certo periodo di tempo si verifica il fenomeno dell’evaporazione; cioè il volume d’aria è in grado di contenere ulteriori quantitativi di vapore, ossia, all’aumentare della temperatura aumenta la quantità di vapore saturante. Si può pertanto dire che il volume d’aria si comporta come una spugna la cui avidità cresce con la temperatura.

 

condensazione03Viceversa, se si prende un volume d’aria non ancora condensato (es. con l’80% di umidità relativa) e lo si raffredda si raggiunge ad una data temperatura il 100% di umidità relativa, cioè oltre tale temperatura di soglia si verifica il fenomeno della condensazione.

Questa temperatura di soglia viene definita temperatura di rugiada o punto di rugiada (Td, Dewpoint temperature).

La temperatura alla quale un dato volume d’aria raggiunge la saturazione, in condizioni di pressione e quantità di vapore costanti, viene definita temperatura di condensazione o punto di rugiada (Td).

Riassumendo, il punto di rugiada indica la temperatura alla quale un volume d’aria sottoposto a raffreddamento raggiunge la saturazione, mantenendo invariati la pressione e la quantità di vapore acqueo contenuta.

Se la temperatura di rugiada (a pressione ambiente) è maggiore del punto di congelamento si verifica il fenomeno della condensazione con la formazione della nebbia e della rugiada. Mentre, se la temperatura di rugiada è inferiore al punto di congelamento si verifica il passaggio di stato della sublimazione, cioè la trasformazione diretta del vapore acqueo in cristalli di ghiaccio con la formazione della cosiddetta brina.

condensazione04

La temperatura di rugiada è una grandezza molto importante in quanto tutti i fenomeni di condensazione avvengono quando la temperatura di una massa d’aria raggiunge il punto di rugiada.

A seconda della temperatura alla quale ci si trova, in un metro cubo d’aria si può avere una quantità di vapore acqueo saturante corrispettiva. Nella tabella sottostante sono riportati i grammi di vapore acqueo necessari per saturare un volume di aria di 1 m3 alla pressione di 1 atmosfera (1013,25 hPa). condensazione05

Ad esempio, 1 m3 di aria, alla pressione di 1 atmosfera, alla temperatura di 20 °C necessita, per poter essere saturo, di 17,15 gr di vapore acqueo.

In aria pura si può verificare una situazione particolare in cui l’atmosfera può contenere una quantità di vapore superiore al limite di saturazione, senza assistere al fenomeno della condensazione. Questo fenomeno si chiama sovrassaturazione e in questo caso l’aria è detta soprassatura. La sovrassaturazione è una situazione di equilibro molto instabile: è sufficiente un po’ di pulviscolo per generare la condensazione massiva.

Se il fenomeno della sovrassaturazione si verifica a temperature estremamente basse (sotto i -40 °C ) avviene un brinamento massivo (il vapore acqueo si trasforma direttamente in ghiaccio). Tale fenomeno è denominato sopraffusione.

 

Variazione dei parametri atmosferici al variare della quota

 

All’aumentare della quota variano i parametri atmosferici, in particolare:
– diminuisce la temperatura,
– diminuisce la pressione,
– diminuisce la densità.

Le caratteristiche dell’atmosfera variano non soltanto con la località e con la quota ma presentano variazioni giornaliere e stagionali notevoli. Pertanto, per poter semplificare il problema e introdurre delle relazioni di facile comprensione, ci si riferisce ad un modello di atmosfera stazionario, cioè non variabile nel tempo e valido su tutta la superficie terrestre.

E’ importante sottolineare che tale modello, pur essendo fortemente approssimato, riesce a simulare abbastanza bene il comportamento reale dei parametri atmosferici al variare della quota.

Tale modello è stato definito da un organismo internazionale, l’ICAO, ed è pertanto denominato I.S.A. (ICAO Standard Atmosphere).

L’I.S.A. rappresenta le condizioni normali riscontrabili alle latitudini medie nel periodo equinoziale (21 Marzo e 23 Settembre). Tale modello considera la composizione dell’atmosfera, e di conseguenza il suo peso molecolare, costante a tutte le quote, inoltre considera l’aria secca, cioè priva di vapore acqueo, assimilabile ad un gas perfetto.

Nel seguito vengono riportate le leggi di variazione dei parametri atmosferici al variare della quota secondo il modello I.S.A.

All’aumentare della quota, la temperatura diminuisce secondo una legge di tipo lineare:

t = t0 – a·H

dove:

a = 0,0065 [°C/m]
H indica la quota espressa in metri [m]
T0 = indica la temperatura al suolo considerata pari a 15 [°C]

Tale legge, rappresentata graficamente, risulta: condensazione07

 

Pertanto una massa d’aria può avere una temperatura di circa -40 °C se si trova attorno ad una quota intorno ai 8-9 Km.

All’aumentare della quota, la pressione atmosferica diminuisce secondo la seguente relazione esponenziale:

 

dove:

H indica la quota espressa in metri [m]

condensazione08

 

 

P0 = 1013,25 [hPa]

T0 = 288,16 [K]

a = 0,0065 [K/m]

g0 = 9,81 [m/sec2]

 

R = 287,04 [m2/sec2·K]

 

condensazione09

 

 

 

 

 

 

 

 

 

All’aumentare della quota la densità diminuisce secondo la seguente legge esponenziale:

[formula]

<!–[if !vml]–>
<!–[endif]–>

ρ0 = 1,225 [Kg/m3]

T0 = 288,16 [K]

a = 0,0065 [K/m]

g0 = 9,81 [m/sec2]

R = 287,04 [m2/sec2·K]

Considerando l’atmosfera reale, è importante capire come varia in generale la distribuzione dell’umidità al variare della quota. Esistono due fenomeni contrastanti:da un lato si verifica la riduzione della densità e quindi la rarefazione del vapore acqueo con conseguente riduzione dell’umidità relativa; dall’altro lato si verifica la riduzione della temperatura e quindi l’incremento dell’umidità relativa.

Pertanto, all’aumentare della quota, il fenomeno della rarefazione viene contrastato dal fenomeno della condensazione. I due effetti contrastanti in generale hanno una valenza differente a seconda delle quote: infatti negli strati medio-bassi la riduzione della temperatura è prevalente alla riduzione della densità, pertanto l’umidità relativa tende ad aumentare.

Oltre tali quote, nonostante la temperatura continui a diminuire per effetto della rarefazione dell’aria, l’umidità relativa diminuisce:

condensazione10

Dati tratti da “I visitatori del cielo” di Huber Aupetit

 

 Fonti: http://www.sciechimiche.org/scie_chimiche/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=97

 

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