Richiami di fisica

di Luca Graniero

Per individuare le condizioni nelle quali si trova un corpo omogeneo è necessario conoscere i valori di tre variabili: 

PRESSIONE (P) VOLUME (V) TEMPERATURA (T). 

L’insieme dei valori assunti simultaneamente da queste tre grandezze individua univocamente Io STATO INTERNO del corpo. Quando varia il valore di alcune di queste grandezze, si dice che il corpo sta subendo una TRASFORMAZIONE o un PROCESSO, per cui si passa da una terna iniziale di valori ad una terna finale. Se al termine della trasformazione lo stato finale del corpo coincide con Io stato iniziale, cioè tutte le variabili P,V e T hanno ripreso il loro valore iniziale, si dice che il corpo ha percorso una TRASFORMAZIONE CICLICA o CICLO, ma ciò NON SIGNIFICA che durante tutto il processo le tre variabili si siano mantenute costanti. Le trasformazioni fisiche possono essere REVERSIBILI, cioè quando un corpo può ripercorrere la trasformazione in senso inverso senza che l’ambiente esterno si alteri, o IRREVERSIBILI. Le trasformazioni reali, ed in particolare quelle meteorologiche, sono tutte IRREVERSIBILI, in quanto in esse è sempre presente attrito e propagazione o dissipazione di calore. 

Le trasformazioni più importanti sono: 

Per i gas, quale è l’aria, le tre variabili che individuano lo stato non sono indipendenti, ma una volta conosciute due di esse la terza è univocamente determinata. La legge fondamentale che dobbiamo ricordare prende il nome di legge di stato o equazione fondamentale dei gas perfetti, che sostanzialmente afferma che in una trasformazione qualsiasi il prodotto pressione per volume è direttamente proporzionale alla temperatura attraverso una costante definita costante specifica dei gas, cioè:

se si passa da P₀, V₀, 0°C a P, V, T si ha 

a P₀V₀ = R = COSTANTE SPECIFICA DEI GAS

e quindi 

PV=RT 

ARIA SECCA RRA VAPOR ACQUEO RRv 

Analizzando semplicemente questa equazione, possiamo facilmente notare che: 

1. A temperatura costante, ad ogni aumento di pressione corrisponde una diminuzione proporzionale del volume, e quindi un aumento proporzionale di densità; 

2. A pressione costante, ad ogni aumento di temperatura corrisponde un aumento di volume, e quindi una diminuzione di densità. 

Si definisce CALORE SPECIFICO di un corpo la quantità di calore misurata in calorie che occorre fornire ad 1 grammo di questo corpo per far aumentare la sua temperatura di 1° centigrado, precisamente da 14,5 °C a 15,5 °C. Praticamente è un indice della capacità dei corpi di assorbire calore, fenomeno che qualitativamente si manifesta con un aumento della sua temperatura. Per riferimento, si assume 1 caloria il calore specifico dell’acqua. Ad esempio, il calore specifico di una roccia è circa 0,2, quindi per far salire la temperatura di 1 g di roccia di 1 °C si dovrà fornire una quantità di calore cinque volte minore rispetto a quella necessaria per l’acqua. Si comprende da questo semplice esempio come in natura esistano delle notevoli differenze di temperature tra corpi investiti dalla stessa quantità di calore. In natura, e quindi segnatamente in meteorologia, la trasmissione del calore può avvenire in diversi modi: 

L’IRRAGGIAMENTO è una azione di trasmissione del calore che avviene a distanza, senza il contatto fisico tra i corpi. I corpi emettono delle radiazioni di diversa intensità visibili o invisibili, a seconda della loro temperatura. Il sole, causa di tutti i processi meteorologici, emette radiazioni visibili (ultraviolette) ed invisibili (infrarosse), che sotto forma di raggi si propagano nello spazio. Questi raggi incontrano corpi di varia natura. 

La reazione del corpo attraversato può essere: 

Nello studio dei fenomeni fisici il discorso non è così semplice, perché spessissimo i corpi posseggono simultaneamente tutte e tre le caratteristiche, in combinazione diversa. Ad esempio la foschia (o la nebbia) ha la proprietà di assorbire parte dei raggi solari, rifletterne altri ed essere trasparente alle radiazioni infrarosse. Il potere assorbente o riflettente dei corpi dipende fortemente dalle caratteristiche del suo involucro superficiale. 

La CONDUZIONE è una trasmissione di calore che avviene all’interno del corpo, ed avviene quando un corpo più caldo si trova a contatto con un corpo meno caldo, e tale trasmissione avviene SEMPRE DAL CORPO PIU’ CALDO A QUELLO PIU’ FREDDO. La conduzione dipende dalla conducibilità termica dei corpi. Ad esempio il suolo ha la proprietà di assorbire bene i raggi solari, ma le sue caratteristiche variano fortemente a seconda della natura della sua superficie. Il calore che il suolo riceve dal sole viene quindi velocemente assorbito e quindi aumenta rapidamente la sua temperatura (basso calore specifico), anche perché essendo un cattivo conduttore non la trasmette per conduzione in profondità. Il riscaldamento investe quindi un limitato strato della superficie ed è tanto più intenso quanto più il sole è alto sull’orizzonte, in quanto i raggi perpendicolari scaldano maggiormente la superficie rispetto ai raggi obliqui. E’ quindi quasi superfluo sottolineare come il sole sia più caldo nelle ore meridiane e più caldo dall’equatore verso i poli, dato che i raggi al mezzogiorno sono quasi perpendicolari all’equatore, mentre molto obliqui al limite della tangenza in prossimità dei poli. Il suolo, a sua volta, irradia calore nello spazio. Dal momento in cui la radiazione solare diviene meno forte e non riesce più a compensare l’irraggiamento del suolo, quest’ultimo inizia a raffreddarsi. In prossimità del tramonto inizia il raffreddamento notturno del suolo che prosegue fino a poco dopo il sorgere del sole. Allorquando ci sia presenza di copertura nuvolosa, le nubi fungono da schermo, e quindi l’irraggiamento del suolo non si propaga in larga percentuale nello spazio ma viene riflesso consistentemente verso al terra, che si raffredda molto meno e molto più lentamente di quanto avviene in una notte di cielo sereno. Ovviamente vale un risultato pressoché simmetrico nel caso di giornate con presenza di considerevole copertura nuvolosa, in quanto fungendo le nubi in parte da schermo il suolo viene raggiunto da una inferiore quantità di radiazione solare e conseguentemente riscalda di meno. 

Se vogliamo, con questo breve discorso abbiamo raggiunto una prima serie di risultati carattere meteorologico: 

Queste considerazioni non VANNO ASSUNTE COME ORO COLATO, dato che non si è fatta menzione alcuna alle condimeteo presenti, passate e future, ma ci si è limitati solo a considerazioni di natura prettamente termica. La CONVEZIONE, forma di trasmissione del calore tipica delle masse fluide, avviene attraverso il mescolamento di masse fluide di caratteristica termica diversa. Se per esempio abbiamo un recipiente con all’interno dell’acqua e lo scaldiamo dal basso, le parti riscaldate diventano meno dense, quindi più leggere, quindi tendono a salire e sono sostituite da parti di acqua più fredda proveniente dagli strati superiori. Si generano così delle correnti di convezione, o correnti convettive, che tendono a livellare la temperatura in tutto il recipiente. Se volessimo fare un paragone meteorologico, la nostra fonte di calore è il suolo che irradia, il nostro recipiente è una porzione di atmosfera ed il nostro fluido è l’aria, che quando si scalda tende a salire e viene bilanciata da aria fredda che tende a scendere dagli strati superiori. L’aria è trasparente, e quindi assorbe pochissimo calore solare, che invece viene cospicuamente assorbita dalla superficie terrestre, non in misura omogenea ma causando l’assunzione di temperature diverse a seconda del tipo di suolo. L’aria posta in prossimità del suolo tende a riscaldarsi per conduzione in uno spessore limitato, divenendo così meno densa, quindi più leggera, e quindi tendendo a salire mediante CORRENTI CONVETTIVE. Allo stesso modo, quando il suolo si raffredda, anche l’aria posta in prossimità del suolo tende a raffreddarsi per conduzione in un sottile strato, cosa che accade principalmente di notte. 

Parliamo adesso brevemente di uno dei parametri fondamentali per il lavoro del previsore, ossia l’umidità atmosferica. Se introduciamo in un recipiente acqua ed aria secca, possiamo notare come l’acqua in parte inizi ad evaporare e si formi vapore acqueo. La pressione parziale del vapore acqueo contenuto nell’aria si chiama TENSIONE Dl VAPORE. Se manteniamo la temperatura costante, il processo di evaporazione continuerà fino a quando verrà raggiunto uno stato di equilibrio, per cui se evapora una quantità x di acqua c’è una eguale quantità x di vapore acqueo che torna allo stato liquido. In questo momento il processo ha raggiunto la tensione di vapore massima relativa alla temperatura t, che ricordiamo è costante, e l’aria si dice satura di vapor acqueo. Questa pressione si definisce TENSIONE Dl VAPOR SATURO. All’aumentare della temperatura, anche la tensione di vapor saturo aumenta, con un andamento non lineare ma esponenziale. Per l’equazione di stato dei gas perfetti, la quantità di vapore che un prefissato volume è direttamente proporzionale alla tensione di vapore, per cui più è alta la temperatura più grande la quantità di vapor acqueo che l’aria può contenere. 

Ovviamente i processi meteorologici hanno luogo nella libera atmosfera, e quindi il volume da saturare non è limitato come nel caso di un recipiente ma è immenso. Conseguenza immediata di ciò è che la saturazione non viene mai raggiunta rapidamente e che la tensione di vapore rimane quasi sempre al di sotto della tensione di vapor saturo. 

Per i nostri scopi, parleremo essenzialmente di UMIDITA’ RELATIVA, grandezza che si esprime in valori percentuali ed è uguale al rapporto tra la tensione di vapore effettiva e e la tensione di vapore massimo E moltiplicato per 100, cioè: 

Dato che sempre per l’equazione di stato dei gas perfetti la quantità di vapor acqueo che l’aria contiene è direttamente proporzionale alla tensione di vapore, una umidità relativa dell’x% vuol dire che l’aria contiene l’x% della quantità di vapor acqueo che porterebbe alla saturazione a quella data temperatura. Essendo un indice di quanto umidità ci sia realmente presente nell’aria, possiamo sinteticamente affermare che l’aria è secca quando l’umidità relativa è bassa, è umida quanto questa è alta. 

Nella messaggistica meteorologica solitamente non viene fornita l’umidità relativa, ma una grandezza ad essa collegata, ovvero la TEMPERATURA DEL PUNTO Dl RUGIADA (O Dl BRINA se inferiore a O °C). 

Supponiamo di essere ad una temperatura t, una tensione di vapor saturo corrispondente E, una tensione di vapore effettiva e. La nostra umidità relativa sarà

Se la temperatura diminuisce, ovvero l’aria si raffredda, la tensione di vapor saturo diminuisce, fino a che, in corrispondenza di un valore t_d, E è diventata uguale ad e, e quindi è stata raggiunta una umidità relativa del 100%, e quindi la saturazione. Pertanto definiremo la temperatura del punto di rugiada T_d come la temperatura alla quale deve essere raffreddata l’aria a pressione costante affinché il vapore acqueo contenuto in essa diventi saturo. 

E’ superfluo sottolineare che la temperatura di rugiada di una massa d’aria è sempre minore o al più uguale alla temperatura reale della massa d’aria. 

Concludiamo questa breve carrellata introduttiva parlando di cambiamenti di stato dell’acqua.

L’acqua in natura può esistere allo stato SOLIDO (sotto forma di ghiaccio di varie forme e dimensioni), LIQUIDO (sotto forma di gocce di varia forma e natura e di massa compatta) e GASSOSO (sotto forma di vapor acqueo, cioè di gas incolore e trasparente e quindi invisibile). Si può passare, sotto determinate condizioni fisiche, da uno stato all’altro attraverso vari fenomeni e trasformazioni. Si definiscono: 

La condensazione e l’evaporazione sono i processi fisici alla base della formazione ed il dissolvimento di nebbie, foschie e nubi. Sappiamo che se abbiamo una massa d’aria con una tensione di vapore e, ad una temperatura t corrisponde una tensione di vapor saturo E; se raffreddiamo l’aria sino alla temperatura di rugiada t_d, alla quale la tensione di vapore della massa d’aria eguaglia la tensione di vapor saturo, l’umidità relativa raggiunge il 100%. 

Ogni ulteriore abbassamento di temperatura per l’equazione di stato dei gas perfetti deve necessariamente comportare una diminuzione della tensione di vapor saturo, ma dato che la tensione di vapore della massa d’aria non può essere mai superiore alla tensione di vapor saturo, una certa parte di vapore dovrà necessariamente condensare. 

Se infatti non vi fosse condensazione, rimanendo sempre e la tensione di vapore della massa d’aria, dovrebbe diventare più piccola la tensione di vapor saturo E e quindi l’umidità relativa sarebbe maggiore del 100%, quindi saremmo in condizioni di SOVRASSATURAZIONE, condizione di instabilità. 

Il ritorno alla condizione di equilibrio tra l’acqua ed il vapore viene operato mediante la condensazione. La condizione di sovrassaturazione talvolta è presente nei processi meteorologici tipici di condizioni di instabilità, e l’atmosfera può essere sovrassatura senza che avvenga la condensazione. Questa è ovviamente una condizione di equilibrio fortemente instabile, come, vedremo, lo sarà la sopraffusione. 

Ogni fenomeno naturale o processo meteorologico nei quali il vapore contenuto in una massa d’aria condensa, come formazione di nubi, nebbie, foschie, brina, rugiada, sono determinati da un abbassamento di temperatura. Come vedremo più dettagliatamente in seguito, e prevalentemente per le nebbie, tale abbassamento di temperatura può essere dovuto a: 

Affinché si verifichi condensazione nell’atmosfera, è necessario che nell’aria vi siano dei NUCLEI Dl CONDENSAZIONE, ovvero particelle igroscopiche, pulviscolo, ioni. Per quanto riguarda invece la solidificazione, l’acqua ghiaccia quando la sua temperatura si abbassa al di sotto di O °C, mentre a O °C acqua e ghiaccio sono in equilibrio, cioè ponendo a contatto acqua e ghiaccio in un recipiente che non scambia calore con l’esterno, il rapporto tra ghiaccio ed acqua non cambia. Aumentando la temperatura aumenta la quantità di acqua e diminuisce quella di ghiaccio, e viceversa diminuendo la temperatura aumenta la quantità di ghiaccio e diminuisce quella di acqua. Esiste però una particolare condizione fisica di instabilità, chiamata SOPRAFFUSIONE, di cui discuteremo dettagliatamente in seguito, nella quale l’acqua purissima può essere raffreddata a temperature di gran lunga inferiori a O °C senza che solidifichi. E’ sufficiente l’urto o il contatto con un piccolo cristallo di ghiaccio, che funge da NUCLEO Dl CRISTALLIZZAZIONE, perché avvenga bruscamente e repentinamente la cristallizzazione. Questo fenomeno, tipico dell’atmosfera in condizioni di instabilità, può determinare una condizione di grave pericolo per la sicurezza della navigazione aerea, chiamato ghiacciamento, causato dalla spontanea e rapida solidificazione di goccioline d’acqua sopraffusa al contatto con il velivolo.

Questa pagina è stata realizzata da Vittorio Villasmunta

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