L umidità atmosferica

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1 L umidità atmosferica

2 Gli stati fisici dell acqua Nell atmosfera è sempre contenuta una certa quantità di acqua, in parte allo stato solido e liquido (nubi), in parte allo stato gassoso. Quest ultima deriva dall evaporazione delle superfici liquide degli oceani e delle acque continentali e dalla respirazione degli organismi viventi. La quantità di vapore d acqua (gas incolore, inodore, insapore, invisibile) contenuta nell aria costituisce l umidità atmosferica. Si concentra in gran parte nella bassa troposfera, ma è molto variabile nel tempo e nello spazio. L acqua cambia facilmente stato fisico poiché la temperatura e la pressione che si trovano nell atmosfera sono vicine al suo punto triplo (temperatura e pressione di una data specie chimica in cui le tre fasi di stato possono coesistere). Per l acqua il punto triplo si ha ad una temperatura di 0,01 C e a una pressione di 6 mb.

3 Le molecole che si trovano vicino a questo punto passano facilmente da una fase all altra. Ogni passaggio comporta arricchimento o cessione di energia (evaporazione di 1 g di acqua = 600 cal). Le molecole di una massa d acqua si agitano in relazione all energia cinetica che posseggono in relazione alla temperatura ambientale. I loro legami di coesione sono molto deboli; alcune molecole in prossimità della superficie riescono a sfuggire all attrazione delle molecole vicine e ad acquisire una velocità sufficiente per vincere la pressione sovrastante. Così passano alla fase aeriforme (evaporazione).

4 Con l aumento del numero di molecole sfuggite al liquido, aumenta la pressione che il vapore esercita sulla superficie sottostante (tensione di vapore) e alcune molecole evaporate si riaggregano al liquido. La forza crescente sulla superficie del liquido limita il numero di molecole che vaporizzano. Fra i due processi si stabilisce un equilibrio: il numero di molecole che vaporizzano è uguale a quelle che si riaggregano alla massa liquida. La massa liquida e la massa gassosa non variano più. A quella temperatura l aria è satura di vapor d acqua. Un successivo aumento della temperatura determina una diminuzione della pressione del vapore a causa della dilatazione dell aria, e quindi un aumento di evaporazione, finché si ristabilisce l equilibrio alla nuova temperatura. Una diminuzione della temperatura aumenta la pressione del vapore, che provoca il passaggio allo stato liquido di una quantità di molecole maggiore di quante se ne liberino (condensazione).

5 Il ciclo idrologico Il ciclo idrologico è un continuo interscambio di umidità tra l atmosfera e la Terra Volumi espressi in migliaia di kmc Evaporazione annua: kmc dagli oceani; dalle terre emerse = Precipitazioni sugli oceani = Sulle terre emerse: Deflusso e rientro negli oceani: Bilancio idrologico terre emerse P = D + ET + I P = precipitazioni D = deflusso superficiale ET = evapotraspirazione I = infiltrazione EVAPORAZIONE => CONDENSAZIONE => PRECIPITAZIONE =>DEFLUSSO

6 La quantità e il tasso di evaporazione di una superficie d acqua dipendono da tre fattori: 1. La temperatura (dell aria e dell acqua) a 10C saturazione con 10 g di vapore a 25C saturazione con 23 g 1. La quantità di vapore acqueo già presente nell aria 2. Lo stato di quiete o di movimento dell aria

7 La misura dell Umidità 1. UMIDITA ASSOLUTA = QUANTITA DI VAPORE ACQUEO IN UN DATO VOLUME D ARIA (g/m 3 ) 2. UMIDITA SPECIFICA = QUANTITA DI VAPORE ACQUEO IN UN DATA MASSA D ARIA (g/kg)

8 3. UMIDITA RELATIVA = RAPPORTO TRA LA QUANTITA REALE DI VAPORE ACQUEO NELL ARIA E LA MASSIMA QUANTITA DI VAPORE ACQUEO CHE PUO ESSERVI CONTENUTA (A UNA DATA TEMPERATURA) (%) U r vapore_ acqueo _ capacità nell ' aria 100 L umidità assoluta descrive quanto l aria sia prossima alla saturazione in vapore acqueo

9 Quando la temperatura cresce l umidità relativa diminuisce L umidità assoluta aumenta con l aumentare della temperatura che favorisce l evaporazione; l umidità relativa aumenta con il diminuire della temperatura che abbassa il punto di saturazione Sahara: UR 10% Germania (inverno): UR 90%

10 La Condensazione (gas => liquido) Perché avvenga la condensazione l aria deve essere satura. La saturazione si raggiunge o attraverso un incremento di vapore acqueo o attraverso un raffreddamento dell aria a un temperatura inferiore al punto di rugiada (= temperatura alla quale viene raggiunta la saturazione) (fenomeno più frequente) U r vapore_ acqueo _ nell ' aria 100 capacità Esempio: Dati: V aria =1m 3 ; T aria =20 C; massa vapore acqueo=10g Con questa temperatura la capacità è di 20 g/m 3 Ur = (10/20) x 100=50% per arrivare alla saturazione o aggiungo 10 g di vapore acqueo o abbasso la temperatura fino a circa 10 C (capacità=10g)

11 La saturazione non è sufficiente a causare la condensazione (a causa della tensione superficiale dell acqua) => è necessaria una superficie sulla quale si possa realizzare la condensazione => PARTICELLE IGROSCOPICHE E NUCLEI DI CONDENSAZIONE (polveri, fumo, sale, pollini, etc.) Goccia di pioggia: diametro da 1/10 di mm a 7 mm Goccia di nuvola: 1/100 di mm Goccia di nebbia: 20/1000 di mm

12 Le nubi Nubi = insieme di minute goccioline d acqua o di minuscoli cristalli di ghiaccio. Sono la sorgente delle precipitazioni Svolgono un ruolo importante nel bilancio energetico globale (assorbono, riflettono, diffondono, e irradiano sia l insolazione sia la radiazione terrestre)

13 La nebbia Nebbia = nube ubicata nei pressi del suolo Si sviluppa quando l aria a contatto con la superficie terrestre si raffredda fin sotto il punto il rugiada oppure quando ad essa viene aggiunto vapore acqueo in quantità sufficiente a renderla satura

14 L assetto delle nubi è spesso indice di stabilità dell aria Cumulo = Instabilità Cumulonembo a torre = Forte instabilità Nubi a sviluppo orizzontale = Aria stabile forzata a salire verso l alto Cielo sereno = Aria stabile immobile

15 Aria instabile: temperatura più calda rispetto all aria circostante Le caratteristiche dell aria stabile e instabile

16 L ascendenza atmosferica e le precipitazioni Figura I quattro tipi base di ascendenza atmosferica e di precipitazioni.

17 ALLUVIONI mm in sei ore Correnti umide atlantiche entrano nel bacino del Mediterraneo Fenomeni convettivi autorigeneranti Impatto venti da nord con quelli da sud Convergenza, convezione, effetti della morfologia

18 Brugnato 540 mm (540 litri /mq)

19 LE PRECIPITAZIONI I processi di formazione Figura Precipitazioni tramite la formazione di cristalli di ghiaccio nelle nubi (processo di Bergeron). 1.Tramite formazione di cristalli di ghiaccio 2. Tramite collisione e coalescenza delle goccioline 1. La presenza di gocce d acqua soprafusa in equilibrio con la tensione del vapore circostante e di cristalli di ghiaccio provoca la sublimazione su di essi di una certa quantità di vapore. Per ristabilire la tensione di vapore iniziale, evaporano altre gocce e il nuovo vapore sublima sui cristalli di ghiaccio, che cadono verso il suolo. Questo processo spiega la maggior parte delle precipitazioni al di fuori delle regioni tropicali

20 Le forme di precipitazione 1. Pioggia (acquazzoni; pioviggini) 2. Neve 3. Nevischio 4. Gelicidio 5. Grandine A volte la pioggia deriva dalla fusione di cristalli di ghiaccio che nella discesa attraversano aria più calda

21 Grandine = nuclei sferici di ghiaccio disposto in strati più o meno concentrici di aspetto trasparente e opaco

22 T < 0 C T > 0 C Le dimensioni finali del chicco di grandine dipendono da: Quantità di acqua soprafusa presente Forza delle correnti ascendenti Lunghezza totale del percorso del chicco all interno della nube

23 LA DISTRIBUZIONE GLOBALE DELLE PRECIPITAZIONI Le precipitazioni medie annue A scala regionale le precipitazioni sono legate essenzialmente alla latitudine ma intervengono molti altri fattori tra i quali la topografia

24 Aree contraddistinte da elevate precipitazioni annue Latitudini tropicali (alisei trasportano enormi quantità di umidità) Strette zone lungo la costa occidentale delle due Americhe comprese tra i 40 e i 60 di latitudine Aree contraddistinte da scarse precipitazioni annue Regioni aride alle latitudini sub tropicali (25-30 ) Regioni aride delle medie latitudini Deserti freddi delle alte latitudini Le regioni costiere essendo molto vicine alle sorgenti di umidità ricevono generalmente più precipitazioni delle regioni interne

25 Precipitazioni medie annue sui continenti nel mondo (isoiete)

26 Gli andamenti stagionali delle precipitazioni Nelle aree interne le precipitazioni annue si verificano principalmente nei mesi estivi Le aree costiere hanno un regime di precipitazioni stagionali più bilanciato Regole generali che possono essere desunte dalle carte: 1. Lo spostamento stagionale dei maggiori sistemi di pressione e venti (verso Nord in luglio e verso Sud in gennaio) è rispecchiato dallo spostamento delle zone aride e umide (vedi regioni tropicali) 2. L estate è il periodo di precipitazione massima in quasi tutto il mondo (eccezione: aree tra 35 e 60 ) 3. La variazione più ampia delle precipitazioni stagionali si verifica nelle regioni monsoniche (Asia meridionale e Orientale, Australia Settentrionale, Africa occidentale) caratterizzate da estate molto piovosa e inverno generalmente secco

27 Precipitazione media annua: 970 mm Massimi Alpi Carniche e Giulie: oltre 3000 mm Italia meridionale: meno di 500 mm

28 I processi adiabatici Le grandi masse d aria possono raggiungere il punto di rugiada solo raffreddandosi per espansione e cioè salendo verso l alto (la pressione diminuisce e così l aria si espande e si raffredda adiabaticamente) Quando una particella d aria NON satura sale, si raffredda al tasso di 10 C/km => GRADIENTE VERTICALE ADIABATICO SECCO. Se si raffredda fino al punto di rugiada inizia la condensazione (nubi). La quota alla quale ciò avviene è definita LIVELLO DI CONDENSAZIONE PER SOLLEVAMENTO

29 Se l aria continua a salire dopo che è avvenuta la condensazione, il raffreddamento continua ma con un tasso inferiore (6 C/km) => GRADIENTE VERTICALE ADIABATICO SATURO

30 N.B. I GRADIENTI VERTICALI ADIABATICI FANNO RIFERIMENTO AD ARIA ASCENDENTE O DISCENDENTE. IL GRADIENTE TERMICO VERTICALE MEDIO (6.5 C/Km) SI RIFERISCE AD ARIA IMMOBILE 6 C/km 10 C/km 6.5 C/km

31 La rugiada Si genera a causa dell irraggiamento terrestre E costituita da minuscole goccioline d acqua che si condensano di notte su varie superfici naturali e artificiali Se la temperatura si abbassa sotto il punto di congelamento => brina

32 Le piogge acide Connesse all incremento nell atmosfera degli OSSIDI DI AZOTO (da scarichi dei veicoli a motore) e degli OSSIDI DI ZOLFO (da emissioni di ciminiere) Le emissioni possono combinarsi con l acqua atmosferica formando l ACIDO SOLFORICO e l ACIDO NITRICO che raggiungono il suolo EFFETTI DIRETTI: 1. CORROSIONE 2. DEFOLIAZIONE EFFETTI INDIRETTI: 1. MAGGIOR SENSIBILITA A STRESS CLIMATICI 2. MAGGIOR SENSIBILITA ALL ATTACCO DI PARASSITI

33 Il ciclo idrologico Il ciclo idrologico è un continuo interscambio di umidità tra l atmosfera e la Terra EVAPORAZIONE => CONDENSAZIONE => PRECIPITAZIONE =>DEFLUSSO