Nuclei di condensazione Nuclei igroscopici

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1 Nuclei di condensazione In una miscela di aria secca e vapore acqueo senza impurità e in assenza di superfici materiali la condensazione avverrebbe a valori di umidita relativa dell 800% (super-saturazione del700%). Nella realtà, la formazione di goccioline d acqua ha luogo quando l umidità raggiunge il 101% per la presenza di nuclei di condensazione La pressione di condensazione dipende dalla curvatura della superficie al cui contatto avviene: ln e r = 2γm w e ρ w R T e rappresenta il valore limite per una superficie piana (eq. 4.13) o Se si considera un gruppo di molecole assemblate dal moto browniano ( r= m) si ottiene che la condensazione avviene a circa 800% di umidita relativa (supercondensazione, valore limite per aria pura). 1 r dove o Attorno a una particella di aerosol o una gocciolina d acqua di 0.1µm la condensazione inizia a un più modesto 101% Particolato, aerosol, piccole goccioline agiscono da nuclei di condensazione nell atmosfera reale Nuclei igroscopici La condensazione attorno a particelle d acqua che contengono materiali solubili (quali sale marino, nuclei igroscopici) può aver luogo anche prima di raggiungere la saturazione (figura 4.6). Se una gocciolina contiene g di sale marino la condensazione alla sua superficie avviene all umidità relativa dell 85% quando le sue dimensioni sono di 0.1µm. richiede una lieve sovrasaturazione 100,1% quando le sue dimensioni si avvicinano a 1µm (L effetto del materiale disciolto diminuisce all aumentare della dimensione del nucleo di condensazione) Una gocciolina di acqua pura di raggio a partire di 0.1µm richiede sovrasaturazione per continuare a crescere (anche se di valore modesto e progressivamente decrescente). La stessa gocciolina di acqua se contaminata con sale marino inizialmente cresce anche in condizioni di sottosaturazione, ma richiede una lieve sovrasaturazione se le sue dimensioni crescono apprezzabilmente (> 1 µm ). Le differenze di crescita fra acqua pura e contaminata da sale marino diventano piccole se le goccioline superano i 1µm di raggio (figura 4.6)

2 Aerosol come nuclei di condensazione (fig.4.7) Aerosol giganti: dimensioni di circa 10µm; sono prodotti da combustione (incendi, ma anche industriale) e processi crostali (azione meccanica del vento) ; rimossi dalle piogge (deposizione umida) e dalla sedimentazione (deposizione secca) per effetto della gravità; tipicamente persistono in atmosfera da alcune ore a 1 giorno, concentrazioni numeriche tipicamente basse (<10 7 /m 3 )rispetto agli altri aerosol Grandi aerosol: dimensioni di circa 1µm; sono costituti da sali marini, pollini, residui di combustione; vengono rimossi dalle piogge; tipicamente persistono in atmosfera per alcuni giorni, anche fino a 1mese, concentrazioni tipiche da 10 7 a 10 9 /m 3 Nuclei di Aitken: dimensioni di 0.1µm o inferiori. Sono prodotti da attività industriali, traffico, combustioni; sono rimossi dalle piogge e catturati in goccioline nelle nubi, coagulano in aerosol di dimensioni maggiori. In quanto tali persistono in atmosfera per circa un ora; concentrazioni tipiche da fino a /m 3 in aree urbane L atmosfera nelle zone industriali contiene principalmente Aitken nuclei di Aitken e in misura minore aerosol giganti. L atmosfera continentale contiene in proporzioni confrontabili aerosol giganti e nuclei di Aitken, L atmosfera marina contiene principalmente grandi aerosol, ma in basse condensazione rispetto alle zone industriali, e costituiti da sali marini (la loro concentrazione dipende molto dalla velocità del vento, da 10 6 a 10 8 /m 3 ) Gli aerosol vengono rimossi per sedimentazione gravitazionale (deposizione secca - efficace per aerosol di grandi dimensioni) e per inglobamento nelle precipitazioni (deposizione umida)

3 Goccioline d acqua nelle nubi Le nubi contengono di raggio compreso fra 1 e 100 µm (dipende dal tipo di nube). Le goccioline d acqua hanno una velocità di caduta che aumenta con le dimensioni (tabella 4.2). Mentre una gocciolina di 5µm in un ora perderebbe solamente 10m di quota e può persistere a lungo sospesa nell aria, una di 50 percorrerebbe quasi 1km. Particelle di acqua di dimensioni maggiori persistono in aria solo in presenza di intensi movimenti verticali. Quando le loro dimensioni non ne consentono più la permanenza in aria cadono come pioggia. Le goccioline di pioggia hanno dimensioni variabili fra i 250 e i 5000µm. La tabella 4.2 mostra come esse possano restare in aria solo in presenza di moti verticali estremamente violenti. La e goccioline di pioggia si formano in pochi minuti. La loro crescita si spiega con la condensazione solo nelle fasi iniziali, e successivamente avviene per collisioni e coalescenze (fig.4.8) che ne aumentano progressivamente le dimensioni (eq ) dm dt πr2 v v b q L E c ignorando v b per il raggio della goccia si ottiene dr dt = vq LE c 4ρ w Il tasso di crescita del raggio è proporzionale alla sua velocità relativa all ambiente circostante: goccioline grosse crescono più velocemente. Sintesi: la conversione dell acqua delle nubi in pioggia dipende da: Le dimensioni delle goccioline, la quantità di acqua presente, lo spessore della nube, le correnti ascensionali

4 Neve e grandine Quando la temperatura all interno della nube è inferiore a 0 o C l acqua può essere presente anche in fase solida Al pari della condensazione la formazione di ghiaccio avverrebbe a temperature molto inferiori allo 0 o C se non vi fossero nuclei di condensazione che consentono al congelamento di aver luogo anche a pochi gradi -4 o C, -15 o CI In condizioni di «sottoraffreddamento» i cristalli di ghiaccio nelle nubi crescono processo di Bergeron (particolarmente efficiente fra -10 e -30 o C): la pressione di saturazione del vapore a contatto con la fase ghiacciata è inferiore a quella a contatto con la fase liquida, quindi l acqua condensa preferibilmente attorno a cristalli di ghiaccio che crescono penalizzando la crescita delle gocce d acqua. Aggregazione di cristalli di ghiaccio in cui la pellicola d acqua che avvolge i cristalli agisce come collante (efficiente fra 0 e -10 o C Crescita per collisioni fra cristalli di ghiaccio (a temperature inferiori fra -10 e -30 o C) in casi estremi la crescita per collisioni può produrre grandine, i cui chicchi si formano in corrispondenza alle violente correnti ascensionali (circa a10m/s) sul lato anteriore di un cumulonembo (figura 4.11) eventualmente in una successione di cicli asceensionali

5 Cenni sugli aspetti macroscopici delle nubi: La percentuale di gocce di fase liquida e fase solida nelle nubi dipende dalla loro temperatura T>0 o C : solo fase liquida (cumuli, strati e stratocumuli nella bassa troposfera) T< -39 o C: solo cristalli di ghiaccio (cirri) Nell intervallo intermedio nubi a composizione mista (altocumuli e altostrati) T<-30 o C: prevalenza di cristalli di ghiaccio 0 o C>T>-10 o C : prevalenza di gocce d acqua I cumuli sono in genere formati da instabilità e movimenti convettivi ascensionali innescati da riscaldamento alla superficie (eventualmente lungo un pendio montano) o presenza di aria fredda sopra aria calda Gli strati invece corrispondono a condizioni stabili e corrispondono ad Avvezione di aria umida calda sopra una superficie fredda Raffreddamento radiativo di masse d aria umida Sollevamento di masse d aria stabili