Scie di condensazione “Contrail” part.3-Nis

el-planeta-tierraLa struttura dell’atmosfera 

L’atmosfera è l’involucro gassoso che avvolge un pianeta, quella terrestre misura circa 1.000 chilometri. Con il variare dell’altitudine variano le caratteristiche dell’aria in termini di proprietà, temperatura, pressione e composizione gassosa; pertanto l’atmosfera terrestre è stata suddivisa in sette strati ognuno con proprie caratteristiche: Troposfera, Stratosfera, Mesosfera, Termosfera, Esosfera, Ionosfera, Magnetosfera.atmosfera

La Troposfera (sfera di cambiamenti) è lo strato più basso dell’atmosfera, parte dalla superficie terrestre e raggiunge circa i 7-17 Km di altezza (spessore è variabile a seconda della latitudine e delle stagioni) e contiene circa i 3/4 del vapore acqueo complessivo dell’atmosfera. Questo strato è scaldato direttamente dalla superficie terrestre, quindi con l’aumentare dell’altitudine decresce la temperatura dell’aria (circa 6,5 °C ogni Km, valore definito come gradiente adiabatico umido) fino a stabilizzarsi attorno ai -56,5 °C. L’aria calda vicina alla superficie tendendo a salire forma dei moti convettivi dando origine a venti e perturbazioni: nella Troposfera, infatti, si formano la maggior parte dei fenomeni meteorologici (nubi, venti, neve, pioggia). Con l’aumento dell’altezza decresce anche la pressione atmosferica (in modo esponenziale) e la quantità di vapore acqueo.

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E’ nella Troposfera che generalmente si manifestano la maggior parte dei voli.

L’estremità superiore della Troposfera, zona di transizione con la Stratosfera si chiama Tropopausa. Ha uno spessore variabile a seconda delle latitudini e delle stagioni: minima in prossimità dei poli  d’inverno (7 Km), massima in prossimità dell’equatore d’estate (17 Km), mentre alle latitudini medie è di circa 11 Km. La temperatura raggiunge spesso il minimo valore a questa altitudine (in condizioni standard -56,5 °C).

La Stratosfera raggiunge circa i 50 Km di altezza. E’ un’area molto secca, con vapore acqueo e pulviscolo quasi assenti, gas molto rarefatti e un’umidità simile a quella del Sahara.La Stratosfera comprende uno strato di ozono (ozonosfera), il quale, assorbendo parte delle radiazioni solari permette il fenomeno dell’inversione termica: con l’aumentare dell’altezza aumenta la temperatura.La densità dell’aria è molto bassa, di conseguenza le nubi e la pioggia si manifestano raramente, ma il vento e la turbolenza possono essere considerevoli, fino a 250 Km/h nei primi 5 Km. In queste regioni sono presenti le forti correnti a getto o jet streams, utilizzate spesso dai piloti nei voli intercontinentali.

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Il ciclo dell’acqua

L’insieme di tutta l’acqua (presente nell’atmosfera, nella terra, nelle acque superficiali, nelle acque sotterranee e negli organismi) costituisce l’idrosfera.

L’acqua si può trovare in tre stati fisici: solida, liquida e gassosa. I più importanti passaggi di stato sono: la fusione (solido-liquido), la sublimazione (solido-gas), la solidificazione (liquido-solido), l’evaporazione (liquido-gas), la condensazione o liquefazione (gas-liquido), brinamento o sublimazione (gas-solido).

Il ciclo dell’acqua (o ciclo idrologico) è il processo attraverso il quale l’acqua, all’interno della idrosfera, si trasforma in continuazione passando da uno stato fisico all’altro. Il ciclo idrologico si compie attraverso tre processi fisici fondamentali: evaporazione, condensazione, precipitazione.

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Il fenomeno dell’evaporazione avviene per effetto del surriscaldamento generato dall’energia termica del sole. Parte dell’acqua presente negli oceani, mari e laghi si trasforma in vapore acqueo il quale, essendo soggetto ad un moto ascensionale convettivo, viene trasportato negli strati alti dell’atmosfera. I fattori che determinano l’evaporazione sono: vento, temperatura, umidità e superficie di evaporazione.

Il volume d’aria evaporato durante la fase ascensionale è soggetto a due fenomeni fondamentali:
   – la riduzione di pressione al variare della quota crea un’espansione del volume d’aria: ad un aumento del volume è correlato una riduzione della temperatura;
    – all’aumentare della quota la temperatura si riduce per effetto del gradiente termico della temperatura.

Come osservato in precedenza un volume d’aria contenente del vapore, se raffreddato ad una temperatura specifica (temperatura di rugiada) raggiunge un’umidità relativa del 100%. Oltre tale soglia si verifica il fenomeno della condensazione.

I nuclei di condensazione sono importanti per il passaggio di stato della condensazione o della sublimazione: senza di essi infatti si potrebbe superare il 100% di umidità relativa senza  assistere al passaggio di stato (fenomeno della sovrassaturazione o della sopraffusione). I nuclei di condensazione sono particelle solide grandi pochi millesimi di millimetro generalmente costituite da cristalli di sale marino, oppure da granelli di polvere, granelli di carbone o da solfati e nitrati. La loro funzione è quella di unire le molecole di vapore acqueo condensato dando luogo alle goccioline di nube.

La saturazione e condensazione del vapore acqueo 

 

La condensazione del vapore acqueo è un processo esotermico: durante il passaggio di stato, il vapore acqueo rilascia calore all’ambiente circostante.

In una massa d’aria, l’umidità relativa è data dal rapporto tra la quantità di vapore contenuto e la quantità massima di vapore ammessa in quel volume a quella temperatura:

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A pressione costante, una massa d’aria può raggiungere la saturazione (umidità relativa pari al 100%) se:

– aumenta il volume presente nella massa d’aria;

oppure se

–  la massa d’aria viene raffreddata lasciando invariata la quantità di vapore esistente.

Il raffreddamento di una massa d’aria avviene attraverso o per effetto di un moto convettivo (l’aria calda tende a salire verso l’alto) o per effetto forzato di una corrente ascensionale (es. sulle pendici di una montagna).  Il volume di vapore acqueo, salendo nell’atmosfera e trovandosi a pressioni inferiori tenderà ad espandersi e a rilasciare calore con l’aria circostante, quindi a raffreddarsi.

Se il vapore acqueo ha temperatura inferiore alla temperatura dell’aria circostante, invece di salire scenderà riscaldandosi. In questa situazione si dice che l’aria è stabile. Non essendo stata raggiunta una temperatura sufficientemente bassa per la condensa non si avrà alcuna formazione di nubi.

Se il vapore acqueo in salita ha una temperatura maggiore alla temperatura dell’aria circostante, la massa d’aria continuerà la sua ascesa espandendosi e raffreddandosi sempre di più fino a raggiungere la saturazione. Raffreddandosi ulteriormente e grazie alla presenza dei nuclei di condensazione, il vapore acqueo si condenserà in goccioline d’acqua e si avrà la formazione di una nube.

La salita e il raffreddamento del vapore acqueo sono fenomeni legati alla differenza tra la temperatura del vapore acqueo e la temperature dell’aria che lo circonda. Finché la temperatura del vapore acqueo è maggiore, esso continua a salire nell’atmosfera, a raffreddarsi e a condensarsi. In questo caso l’aria viene definita instabile.

La formazione delle nubi

Una nuvola è il risultato di un’atmosfera in condizioni di saturazione: vi sono in sospensione  goccioline d’acqua e/o cristalli di ghiaccio. All’interno di una nuvola, in generale, si verificano fenomeni di condensazione, sublimazione, evaporazione, rilascio di calori latenti.

Per formarsi, una nuvola necessita di nuclei di condensazione e di vapore acqueo (quindi di un’elevata umidità relativa). Le nuvole quindi non si possono formare nell’aria secca: necessitano una certa quantità di  vapore acqueo in modo che con un adeguato raffreddamento si verifichi il cambiamento di stato da vapore acqueo a gocce d’acqua e/o cristalli di ghiaccio. Pertanto le nuvole per formarsi richiedono elevati valori di umidità relativa e quindi piccole differenze tra la temperatura dell’aria e il punto di rugiada.

I nuclei di condensazione facilitano il passaggio di stato del vapore dalla fase gassosa alla fase liquida. Il fenomeno della condensazione si manifesta al suolo sottoforma di brina sull’erba mentre in atmosfera avviene attorno a particelle in sospensione di sale marino o di pulviscolo. I motori degli aeromobili, oltre al vapore acqueo immettono nell’atmosfera particelle dei gas di scarico (aerosol) che fungono da nuclei di condensazione e quindi facilitano tale fenomeno.

Se il volume d’aria considerato non ha raggiunto il punto di saturazione, al fine della formazione di una nuvola è necessario o aggiungere del vapore acqueo oppure raffreddare ulteriormente l’atmosfera avvicinandosi così alla temperatura di rugiada. In entrambi i casi deve essere raggiunta un’umidità relativa del 100%.

Il raffreddamento può avvenire per contatto (ad esempio un corrente ascensionale che si raffredda al contatto con le pendici di una montagna), oppure quando una corrente calda incontra una corrente fredda oppucond14re per espansione adiabatica.

Nell’ultimo caso, detto propriamente processo adiabatico secco (dry adiabatic process), una particella di aria che cambia la sua quota deve adeguare la propria pressione con quella dell’ambiente circostante. Pertanto quando una particella di aria si solleva dal suolo subisce una riduzione di pressione espandendosi, mentre discendendo subisce una compressione. Una particella che si muove verso l’alto riduce la sua temperatura utilizzando la sua energia interna per espandersi. Viceversa, se la particella è in fase di discesa subisce una compressione e quindi un riscaldamento.

Se una nuvola si sta dissipando significa che ha un movimento discensionale (surriscaldamento da compressione adiabatica) oppure che si sta miscelando con l’ambiente secco circostante; in entrambi i casi si ha l’evaporazione della nuvola.

Il processo adiabatico secco è un processo termodinamico e segue leggi ben precise: 3°C ogni 1000 ft (5,4 °F ogni 1000 ft).
Seguendo questo principio, l’aria all’interno della troposfera si muove perché la superficie terrestre viene riscaldata in modo disomogeneo. Una determinata massa d’aria che si trova vicino ad una fonte di calore sulla superficie terrestre si riscalda e tende ad espandersi e a diventare più leggera, diminuendo così la sua densità e la sua pressione. In questo modo si crea una disomogeneità barica con l’aria circostante e si ha la formazione di forze che tendono a ripristinare l’equilibrio alterato.

Per effetto di queste forze, generatrici dei moti convettivi, l’aria più calda si sposta verso l’alto e quella fredda verso il basso. Questo fenomeno prende il nome di convezione naturale. I moti convettivi rappresentano un ruolo importante nel processo di formazione delle nubi e della successiva sospensione delle gocce condensate.

Come si è visto in precedenza, il vapore acqueo rimane nello stato fisico gassoso finché non raggiunge la saturazione. Se aumenta la quantità di vapore acqueo o se diminuisce la sua temperatura, il vapore in eccesso rispetto alla quantità massima di saturazione condensa e si trasforma in goccioline d’acqua.

Se la temperatura del vapore acqueo è molto bassa, invece della condensazione si manifesta la sopraffusione: la maggior parte delle goccioline ghiacciano in modo spontaneo in presenza di temperature inferiori a -40 °C. Le nubi formate per sopraffusione sono  caratterizzate da microscopici cristalli di ghiaccio e appartengo alla categoria delle nubi alte, poiché nell’atmosfera valori di temperatura attorno a -40 °C si trovano genericamente a quote maggiori di 8 Km.

In generale le nubi si formano quando, in seguito ad un raffreddamento, il vapore acqueo raggiunge il punto di rugiada. Esistono altri tipi di raffreddamento: convettivo, sinottico, orografico.
– Raffreddamento convettivo: l’aria si riscalda al contatto col suolo e sale nell”atmosfera espandendo il suo volume e raffreddandosi fino a raggiungere la temperatura di rugiada e condensarsi.
– Raffreddamento sinottico: due masse d’aria con diversa temperatura si incontrano e quella più fredda e più densa tende a incunearsi sotto quella più calda, la quale si raffredda e sale dando origine a fenomeni di condensazione e nubi.
– Raffreddamento orografico: una massa d’aria che incontra una montagna è costretta a risalire lungo i pendii e durante l’ascesa si raffredda generando sistemi nuvolosi.

 

Il vapore acqueo condensato da origine alle nubi. Le goccioline d’acqua tendono a cadere per effetto della forza di gravità ma rimangono sospese nell’atmosfera in quanto si verificano in contemporanea fenomeni di condensazione e di evaporazione, rispettivamente con rilascio e assorbimento di calore.nuvole

I nuclei di condensazione determinano il numero e la grandezza delle goccioline d’acqua. Se i nuclei di condensazione sono ridotti rispetto al volume condensante, le goccioline che si formano all’interno della nube sono poco numerose ma abbastanza grandi per la manifestazione di una precipitazione. Viceversa, se i nuclei di condensazione sono tanti, le goccioline che si formano sono numerose ma troppo piccole al fine di una precipitazione (si verifica l’evaporazione durante la fase di discesa per compressione adiabatica).

Le goccioline di acqua vengono trascinate verso l’alto dalle correnti che consentono la formazione delle nubi e vengono a contatto con le goccioline più piccole e più leggere. Nella collisione le gocce più grandi catturano le goccioline più piccole fino a raggiungere dimensioni talmente grandi da non poter più essere sostenute dalle correnti convettive. A questo punto ricadono all’interno della nube catturando altre goccioline e ingrossandosi ulteriormente.

Viene definito coalescenza il processo attraverso i quale le goccioline d’acqua tendono a gonfiarsi fino a divenire gocce di pioggia. Una precipitazione si verifica quando queste gocce sono talmente grosse e pesanti da non riuscire più ad essere sostenute dalle correnti ascensionali presenti nelle nubi.

 

 

 

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