Fisica dell atmosfera

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Linda Valeri
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La nucleazione e la formazione delle nubi: microfisica, morfologia e classificazione Tensione superficiale Ogni interfaccia curva che separa un liquido da un altro fluido (liquido o aeriforme) è in

1 Università degli studi di Trento Corso di Laurea Magistrale in Fisica Prof. Dino Zardi Gruppo di fisica dell atmosfera Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica Fisica dell atmosfera 09. La nucleazione e la formazione delle nubi: microfisica, morfologia e classificazione Tensione superficiale Ogni interfaccia curva che separa un liquido da un altro fluido (liquido o aeriforme) è in genere soggetta a una tensione normale (forza per unità di superficie) detta tensione superficiale. Questa è la risultante macroscopica dello sbilanciamento delle forse intermolecolari agenti sulle molecole esterne. Tale tensione vale 1 1 p = σ + r1 r2 p dove la costante di proporzionalità σ è la tensione superficiale e r 1 ed r 2 son i raggi principali di curvatura locali. Per un interfaccia sferica si ha r 1 =r 2 =r, per cui l espressione si semplifica: 2σ p = r r La creazione ex-novo di un interfaccia curva a partire dal vapor saturo richiede un energia proporzionale alla tensione superficiale e all area della superficie creata A. 1

Nucleazione omogenea: formula di Kelvin 114% r 2σ = ) p vs ( r ) nkt ln pvs Umidità relativa 112% 110% 108% 106% 104% ) 2σ pvs ( r ) = pvs exp nktr 102% 100% 0.01 0.10 1.00 10.00 100.

2 Nucleazione omogenea: formula di Kelvin 114% r 2σ = ) p vs ( r ) nkt ln pvs Umidità relativa 112% 110% 108% 106% 104% ) 2σ pvs ( r ) = pvs exp nktr 102% 100% r (µm) ) p ( r ) = tensione di vapore all'equlibrio con un'interfaccia curva p vs vs = tensione di vapore all'equlibrio con un'interfaccia piana ( r = ) σ = tensione superficiale k = costante di Boltzmann T = temperatura n = numero di molecole per unità di volume ) pvs ( r ) 2σ ϕ = exp p nktr vs Nucleazione eterogenea da nuclei bagnabili (a) Fotografia al microscopio elettronico a scansione di un campione di aerosol raccolto a una quota di 3 km nella regione orientale dello stato di Washington (Costa occidentale degli Stati Uniti); (b) L analisi elementare dello stesso campione mediante analisi della dispersione di raggi X mostra che consiste principalmente di Si, K e Fe. (c) Fotografi al microscopio ottico del campione dopo un esposizione ad un umidità relativa del 50%; (d) Idem come sopra con un umidità relativa del 90%. 2

Nucleazione eterogenea da nuclei solubili (a) Fotografia al microscopio elettronico a scansione di un campione di aerosol raccolto a una quota di 9 m sulla superficie dell Oceano Pacifico; (b) L

3 Nucleazione eterogenea da nuclei solubili (a) Fotografia al microscopio elettronico a scansione di un campione di aerosol raccolto a una quota di 9 m sulla superficie dell Oceano Pacifico; (b) L analisi elementare mediante analisi della dispersione di raggi X mostra che lo stesso campione consiste principalmente di Na e Cl. (c) Fotografi al microscopio ottico del campione dopo un esposizione ad un umidità relativa del 50%; (d) Idem come sopra con un umidità relativa del 95%. Premessa: la legge di Raoult p = f p vs f = frazione molare del solvente (acqua) vs p vs Vapor saturo T f mw nw M w Mw m s = = = 1+ i n m w + i ns w m s i M s m + w M M w s 1 Acqua + soluto M w, M s : massa molare dell acqua, del sale; m w, m s : massa dell acqua, del sale; i: grado di dissociazione Per una goccia sferica di raggio r contenente una soluzione di densità ρ si ha: e quindi: 4 π ρ 3 3 mw = r ms M w m s f = 1+ i M 4 3 s 3 πρ r m s 1 3

4 Nucleazione eterogenea I due effetti (curvatura + soluzione) si combinano: ) ) M m 2σ ( ) = ( ) = 1+ exp w s pvs r f pvs r pvs i M 4 3 s 3πρ r m s n ktr 1 Nucleazione eterogenea: curve di Köhler 4

5 Dai nuclei alle precipitazioni Meccanismi di accrescimento delle gocce: a. Diffusione b. Collisione e coalescenza Classificazione delle nubi /1 Rispetto al meccanismo fisico della loro formazione NUBI CONVETTIVE Meccanismo: sollevamento convettivo d aria in condizioni di instabilità (condizionata) Dimensioni orizzontali: diametro km Contenuto d acqua: qualche g per m 3 NUBI STRATIFORMI Meccanismo: sollevamento forzato di masse d aria stabili Dimensioni orizzontali: km Contenuto d acqua: qualche decina di g per m 3 NUBI OROGRAFICHE Meccanismo: sollevamento meccanico indotto dall orografia Contenuto d acqua: qualche decina di g per m 3 5

Classificazione delle nubi/2 Rispetto alla temperatura (e conseguentemente alla struttura microfisica) NUBI FREDDE Si trovano almeno in parte al di sopra dell isoterma 0 C -2 C 0 C 2 C NUBI CALDE Si

6 Classificazione delle nubi/2 Rispetto alla temperatura (e conseguentemente alla struttura microfisica) NUBI FREDDE Si trovano almeno in parte al di sopra dell isoterma 0 C -2 C 0 C 2 C NUBI CALDE Si trovano completamente al di sotto dell isoterma 0 C, per cui non possono contenere ghiaccio in forma stabile Classificazione delle nubi /3 Rispetto alla morfologia (secondo l Organizzazione Meteorologica Mondiale) FORMA: Strati interrotti, strati non interrotti, nubi individuali QUOTA: nubi basse (quote da 0 a 2-3 km) nubi medie (da 2-3 a 5-7 km) nubi alte (oltre 5-7 km) 1.Cirri (Ci): nubi alte individuali 2. Cirrocumuli (Cc): strati interrotti alti 3. Cirrostrati (Cs): strati non interrotti alti 4. Altocumuli (Ac): strati interrotti medi 5. Altostrati (As): strati non interrotti con base nel livello medio e possibile estensione nel livello alto 6. Stratocumuli (Sc): strati interrotti bassi 7. Strati (St): strati non interrotti bassi 8. Cumuli (Cu): nubi individuali con basi nei livelli bassi e possibili estensioni fino ai livelli medi 9. Cumulonembi (Cb): nubi individuali con basi nei livelli bassi ed estensione fino ai livelli alti 10. Nembostrati (Ns): strati non interrotti con basi nei livelli bassi e cime fino ai livelli alti 6

7 Stratus 7

8 Nimbostratus Stratocumulus 8

9 Cumulus humilis Cumulus mediocris 9

10 Cumulus congestus Pyrrhocumulus 10

11 Cumulonimbus calvus Cumulonimbus calvus 11

12 Cumulonimbus con pileus Cumulonimbus capillatus incus 12

13 Cumulonimbus mamma Altrostratus 13

14 Altostratus undulatus Cirrus 14

15 Cirrus uncinus I fronti 15

16 Nubi da effetti orografici (a scala locale) (Whiteman, 2000) Nubi orografiche (alla mesoscala) (Wallace and Hobbs 1977) 16

17 Nubi lenticolari Il Föhn 17

18 Cumulonembi Supercella 18

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