Meteorologia
Sezione 5.2 - I moti verticali dell'aria
1. Introduzione
La maggior parte dei fenomeni meteorologici sono generati dai moti verticali che si verificano nell'atmosfera, i quali inducono le diminuzioni di temperatura che portano le masse d'aria ascendenti alla saturazione, e quindi alla formazione delle nubi e alle conseguenti precipitazioni.
- Convezione libera: Il surriscaldamento di una determinata massa d'aria che diventa meno densa, e quindi piu leggera di quella circostante
- Convezione forzata: L'azione meccanica esercitata dall'incontro di una massa d'aria dotata di moto orizzontale con un rilievo del terreno o con un'altra massa d'aria di densita diversa (Stau, Fohn, situazioni frontali)
- Se l'atmosfera e stabile: il moto verticale si esaurisce non appena cessa la causa che l'ha generato
- Se l'atmosfera e instabile: il moto verticale si autoalimenta e continua con intensita via via crescente
2. Il raffreddamento e il riscaldamento adiabatici
La fisica insegna che un gas:
- Quando si comprime (portato a pressione maggiore) si riscalda
- Quando si espande (portato a pressione minore) si raffredda
Un riscontro pratico: gonfiando il pneumatico della bicicletta, la pompa si scalda perche comprime l'aria; aprendo una bombola di gas compresso, si sente che la bombola si raffredda.
- Gradiente termico verticale: Il calo di temperatura che si riscontra andando in quota all'interno della massa d'aria in quiete (ISA: 6,5C/1000m o 2C/1000ft)
- Gradiente adiabatico secco: Il calo di temperatura cui va soggetto il volume d'aria che sale
3. I moti verticali in aria non satura
3.1 Il gradiente adiabatico secco
Immaginiamo di trovarci al livello del mare in atmosfera standard (15C) e di rinchiudere un certo volume d'aria alla pressione ambientale in un ipotetico palloncino di gomma che si possa dilatare liberamente.
Trascinando verso l'alto il palloncino, la temperatura dell'aria al suo interno - indipendentemente dalla temperatura esterna - diminuisce di 1C per ogni 100 metri di quota (o circa 3C ogni 1.000 piedi).
3.2 La stabilita e l'instabilita dell'aria non satura
L'esperimento del palloncino dimostra che:
| Caso (a) - STABILE | Caso (b) - INSTABILE |
|---|---|
| Gradiente termico verticale = 0,8C/100m | Gradiente termico verticale = 1,2C/100m |
| A 500m: T interna = 15C, T esterna = 16C | A 500m: T interna = 15C, T esterna = 14C |
| Aria interna piu fredda = piu pesante | Aria interna piu calda = piu leggera |
| Il palloncino ridiscende | Il palloncino continua a salire |
| Atmosfera | Gradiente termico verticale | Equilibrio | Curva di stato |
|---|---|---|---|
| SUBADIABATICA | < 1C/100m | STABILE | Meno inclinata dell'adiabatica secca |
| SUPERADIABATICA | > 1C/100m | INSTABILE | Piu inclinata dell'adiabatica secca |
| ADIABATICA | = 1C/100m | INDIFFERENTE | Stessa inclinazione (45) |
4. I moti verticali in aria satura
4.1 Il gradiente adiabatico saturo
Quando il vapore condensa e forma la nube o la nebbia, esso restituisce all'aria il calore latente di condensazione che le aveva sottratto durante l'evaporazione. Il calore ceduto dall'acqua scalda l'aria e la rende piu leggera.
- NON e costante come quello secco, ma varia in funzione della temperatura dell'aria
- Per aria satura molto fredda: si avvicina a 1C/100m (poco vapore = poco calore latente)
- Per aria satura molto calda: puo scendere anche a 0,4C/100m (molto vapore = molto calore latente)
- L'adiabatica satura e sempre meno inclinata della corrispondente adiabatica secca
4.2 La stabilita e l'instabilita dell'aria satura
La stabilita e l'instabilita di una massa d'aria satura non sono piu distinte dal gradiente adiabatico secco, bensi da quello saturo.
- E stabile finche non e satura
- Diventa instabile se raggiunge la saturazione (grazie al calore latente di condensazione)
Esempio di figura 5.14: una porzione d'aria a 21,5C (piu calda dei 20C circostanti) sale secondo l'adiabatica secca fino al punto A dove raggiunge la temperatura dell'aria circostante. Se il riscaldamento al suolo e sufficiente (23C) la bolla sale fino al punto B (livello di condensazione/convezione libera) dove forma una nube cumuliforme, e continua a salire secondo l'adiabatica satura fino al punto C (isotermia o inversione) dove si ferma.
5. I diagrammi termodinamici
L'argomento cui ci apprestiamo ad accennare e il pane quotidiano dei volovelisti che - quando vogliano ottenere risultati apprezzabili - devono studiare con cura lo stato dell'atmosfera.
- La curva di stato dell'aria (gradiente termico verticale reale)
- Le curve dell'adiabatica secca (linee rette a 45)
- Le curve dell'adiabatica satura (curve, meno inclinate)
- Le linee isoigrometriche (linee di uguale umidita specifica)
Correlando questo grafico con i valori della temperatura al suolo presente e prevista nelle ore successive, e possibile sapere se e quando l'aria sara stabile o instabile, a quale quota si incontrera il livello di condensazione, e numerose altre informazioni indispensabili per il volo a vela.
- Se l'aria e stabile: il moto ascensionale si esaurisce rapidamente
- Se l'aria e instabile: il moto ascensionale - una volta innescato - si alimenta da se e dura autonomamente finche l'aria si trova in condizioni di instabilita
Una massa d'aria puo essere stabile o instabile a varie quote, a seconda di come si presenta la sua curva di stato relativamente all'adiabatica secca o a quella satura. Il tetto e comunque sempre rappresentato dalla tropopausa, dove il gradiente termico verticale diventa stabilmente zero, e al di sopra della quale l'aria e quindi permanentemente stabile.
6. Le caratteristiche dell'aria stabile e instabile
La sintesi di quanto esposto nei paragrafi precedenti e che l'aria stabile tende a rimanere immobile ristagnando sugli strati sottostanti o sul terreno, mentre l'aria instabile tende a salire e a rimescolarsi continuamente.
| Caratteristica | ARIA STABILE | ARIA INSTABILE |
|---|---|---|
| Visibilita | Scarsa o pessima (ristagno di polveri, fumi) | Buona o ottima (rimescolamento) |
| Nubi | Stratificate (strati, nebbie) | Sviluppo verticale (cumuli, cumulonembi) |
| Precipitazioni | Persistenti e poco intense (pioviggine) | Intermittenti ma intense (rovesci, temporali) |
| Turbolenza | Scarsa o assente | Presente, anche forte |
- Aria stabile: Volo tranquillo ma visibilita ridotta, possibile formazione di nebbie e strati bassi
- Aria instabile: Volo turbolento, ottima visibilita ma rischio di temporali e fenomeni convettivi intensi
Riepilogo valori da ricordare
| Concetto | Valore |
|---|---|
| Gradiente adiabatico secco | 1C / 100 m = 3C / 1.000 ft |
| Gradiente adiabatico saturo (aria fredda) | Circa 1C / 100 m |
| Gradiente adiabatico saturo (aria calda) | Fino a 0,4C / 100 m |
| Gradiente termico verticale ISA | 0,65C / 100 m = 2C / 1.000 ft |
| Atmosfera SUBADIABATICA | Gradiente < 1C/100m = STABILE |
| Atmosfera SUPERADIABATICA | Gradiente > 1C/100m = INSTABILE |
| Atmosfera ADIABATICA | Gradiente = 1C/100m = INDIFFERENTE |
| Instabilita condizionale | 0,4-1C/100m: stabile se secca, instabile se satura |
| Convezione libera | Aria sale per surriscaldamento |
| Convezione forzata | Aria sale per ostacolo meccanico (orografia, fronti) |
| Aria stabile - Visibilita | Scarsa |
| Aria instabile - Visibilita | Buona/Ottima |
| Aria stabile - Nubi | Stratificate |
| Aria instabile - Nubi | Sviluppo verticale (cumuli) |
| Aria stabile - Precipitazioni | Persistenti, poco intense |
| Aria instabile - Precipitazioni | Intermittenti, intense |
| Limite superiore fenomeni meteo | Tropopausa (aria permanentemente stabile) |
