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 10.00 100.00 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 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
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
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 0.1-10 km Contenuto d acqua: qualche g per m 3 NUBI STRATIFORMI Meccanismo: sollevamento forzato di masse d aria stabili Dimensioni orizzontali: 10 2-10 3 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 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
Stratus 7
Nimbostratus Stratocumulus 8
Cumulus humilis Cumulus mediocris 9
Cumulus congestus Pyrrhocumulus 10
Cumulonimbus calvus Cumulonimbus calvus 11
Cumulonimbus con pileus Cumulonimbus capillatus incus 12
Cumulonimbus mamma Altrostratus 13
Altostratus undulatus Cirrus 14
Cirrus uncinus I fronti 15
Nubi da effetti orografici (a scala locale) (Whiteman, 2000) Nubi orografiche (alla mesoscala) (Wallace and Hobbs 1977) 16
Nubi lenticolari http://www.kirainet.com/images/fujilenticular.jpg Il Föhn 17
Cumulonembi http://www.cims.nyu.edu/~gladish/teaching/eao/cloud1.jpg Supercella http://skydiary.com/kids/supercell.jpg 18