Cumulonimbus
Caratteristiche strutturali
Il cumulonembo (cumulonimbus o thunderhead) è una grande nube verticale con una base scura e piatta ed un top parzialmente ghiacciato che è esteso spesso sottovento come un incudine (anvil). Al centro c’è un updraft organizzato che ha già sollevato la nube fino ad uno strato stabile che rappresenta il suo tetto di crescita verticale, normalmente la tropopausa. È una nube che viene creata come conseguenza di una profonda instabilità potenziale e del sollevamento di aria calda e umida in un ambiente localmente favorevole. Ciò accade quando le condizioni favorevoli (calore, umidità, instabilità) si combinano con un meccanismo scatenante come il sollevamento topografico, il raffreddamento in quota, la convergenza al suolo, o la presenza di un fronte, di una linea di aria secca (dryline), ecc...
Se “smontassimo” il cumulonembo classico troveremmo il “nocciolo” (core), l’anvil e le strutture di inflow/outflow. Il core è una regione attiva ad elevata precipitazione che si forma in un forte e continuo updraft con velocità medie di 10-30 m s-1. Allo stadio maturo esiste anche un downdraft più debole, ma ugualmente organizzato ed importante, normalmente appena avanti l’updraft quando c’è uno shear verticale del vento. La struttura dell’inflow e dell’outflow varia grandemente da cella a cella. L’ouflow si può estendere molto in avanti rispetto al core con venti di superficie che spirano più o meno nella stessa direzione del moto della cella. In altri casi l’outflow si muove con il temporale, mostrandosi all’improvviso al passaggio del core, o può essere lasciato indietro nella scia come una fresca brezza che spira in uscita dalla nube. Il downdraft, che non è altro che aria che è stata trascinata giù dalla pioggia e raffreddata per evaporazione, raggiunge il suolo e si espande all’esterno come un sottile strato di outflow. L’espansione si può estendere ad alcune dozzine di chilometri, specialmente se aumentata da moti verso il basso lungo i versanti delle montagne, e può sopraggiungere come un vento freddo da una direzione abbastanza scorrelata da altre condizioni locali. L’inflow è confinato ad una regione più piccola, spesso vicina alla parte posteriore della cella, ed è individuata da un gruppo od una linea di grandi cumuli in crescita che alimentano il core e si fondono con esso, rimpiazzandolo quando maturano. La maggior parte dei cumulonembi sviluppano un anvil sottovento poichè i venti al top della nube sono più forti di quelli ai livelli intermedi. Meno frequentemente l’anvil si forma al di sopra della cella, ma si può intravedere soltanto come una nube lasciata indietro dalla cella, la quale si muove in avanti spinta dal flusso più forte ai bassi livelli. L’anvil si espande sia in avanti che lateralmente con l’arrivo di sempre più aria alla sommità, e poi si allontana dalla sorgente. È una parte molto interessante da osservare in quanto è soggetta a continui cambiamenti. Si espande verso l’esterno sotto forma di un velo dalla fine tessitura dove le goccioline d’acqua evaporano lasciando soltanto i cristalli di ghiaccio. Questo fenomeno gradualmente assottiglia e rende più luminoso il velo dell’anvil e contribuisce a trasportarlo sempre più lontano dalla sorgente. Questo settore di atmosfera è molto freddo (-20÷-40°C) e costituisce un ambiente molto ostile alla presenza di acqua liquida. Il raffreddamento dello strato nuvoloso unito ad una continua crescita di cristalli di ghiaccio dovuta al calo della pressione di vapore trasformano rapidamente l’anvil in un mantello ghiacciato che reca impressi molti segni permanenti della sua primitiva formazione. Nel caso di una sorgente convettiva stazionaria l’anvil può talvolta essere, in taluni punti sottovento, l’unico indizio di eventi precedenti distanti centinaia di chilometri. L’anvil può darci anche informazioni sulla velocità di accrescimento della cella. Updrafts deboli si estenderanno in avanti con anvil abbastanza spessi e gibbosi. Alla temperatura di -10°C l’acqua può anche non ghiacciare per ore mentre a -40°C il ghiacciamento è quasi istantaneo. Il secondo caso è più tipico di nubi con un forte updraft e la subitanea formazione di molti cristalli di ghiaccio uguali fra loro da origine ad un anvil più liscio ed uniforme. Gli updrafts che incontrano un improvviso shear del vento molto al di sopra del livello di ghiacciamento formano anche loro anvil uniformi dai contorni molto netti e definiti. Sia lo shear molto forte come il rapido ghiacciamento agiscono in modo da regolare gli effetti più variabili dei moti di updraft/downdraft.
Perchè ogni cumulonembo è unico
Tutte le nubi sono in qualche modo uniche nel senso che i loro dettagli costitutivi non si ripetono mai esattamente, anche se le somiglianze prevalgono all’interno di un singolo tipo di nube. Il cumulonembo riempie pesantemente la terza dimensione (e la quarta ⎯ il tempo) e ciò da luogo ad un numero illimitato di possibili forme, dimensioni e colori che si possono osservare. L’umidità influisce sull’instabilità la quale a sua volta si riflette sull’altezza della nube che è sottoposta a diversi effetti delle forze di shear ai singoli livelli, con il risultato di produrre risultati diversi per ogni insieme di condizioni iniziali. Ci possono poi essere altre variabili che contribuiscono all’effetto finale. Cambiando anche uno solo dei parametri il risultato muta sensibilmente. Le condizioni cambiano anche durante il corso della giornata. Un acquazzone precoce con un anvil basso sottrae potenziale ad un possibile temporale del tardo pomeriggio con updraft tanto intenso da raggiungere la stratosfera. Tutto ciò che occorreva era un pò più di calore al mattino. Sotto l’influsso delle correnti a getto le variazioni delle condizioni al contorno di giorno in giorno variano moltissimo, ma quando le condizioni in quota sono stazionarie celle separate possono sembrare molto simili. Ciò è particolarmente vero per nubi isolate molto spaziate per le quali non è possibile alcuna interazione.
Ciclo vitale tipico
Il cumulonembo medio inizia come una grande torre cumuliforme o come un aggregato di torri che continua a crescere ed organizzarsi in una massa più o meno unica con un singolo, grande updraft che normalmente è di oltre 10 m s-1. Occasionalmente questa nube si forma dalla convezione ai medi livelli (altocumulus castellatus) in aria che è divenuta instabile a seguito dell’avvezione di aria fredda in quota. L’accelerazione dell’updraft dovuta al rilascio del calore latente organizza le termiche separate e genera un inflow che trascina verso l’interno il flusso ai bassi livelli per chilometri intorno. Questo stadio iniziale è caratterizzato dal fatto che tutta l’aria è in ascesa e che le gocce di pioggia che si formano sono mantenute in alto nell’updraft.
Lo stadio maturo è iniziato dall’apparire della precipitazione (che può richiedere anche 8-15 min per raggiungere il suolo) e dai primi effetti del ghiacciamento al top. Buona parte della precipitazione in formazione è sopraraffreddata, ma richiede un certo tempo per trasformarne abbastanza in cristalli di ghiaccio da dare origine ad un anvil fibroso visibile. Il ghiacciamento non incomincia se le temperature non sono molto al di sotto dello zero ed avviene più velocemente quando è più freddo e le gocce sono più grosse. Un thunderhead in rapida crescita resiste alla trasformazione in ghiaccio perchè molte piccole goccioline riempiono la sua cupola in ascesa. Ciò mette a disposizione anche un grandissimo quantitativo di acqua sopraraffreddata per la formazione della grandine. Una volta che le più grandi idrometeore ghiacciate in caduta iniziano il ciclo di formazione, i chicchi di grandine crescono per cattura di queste goccioline, facendole ghiacciare per contatto. Le dimensioni del chicco sono determinate anche dalla possibilità che ha l’updraft di mantenere il chicco in sospensione per il tempo necessario a farlo diventare grande. Una notevole quantità di precipitazione che raggiunge il suolo durante un temporale deriva dallo scioglimento dei chicchi di grandine. Si possono osservare gli hailshafts che hanno la forma di strisce verticali luminose all’interno dei veli della pioggia e nelle vicinanze dell’updraft. Lo stadio maturo, con tutte le caratteristiche citate al loro culmine, può durare anche soltanto 10 min. Il violento rilascio della precipitazione crea un downdraft che o fa collassare l’updraft o lo fa spostare di posizione. Quando ciò accade la nube originaria entra nella fase di dissipazione. Un forte shear in quota porterà lontano davanti alla cella gli effetti del downdraft, ma con venti non molto forti quest’aria fredda può arrivare senza preavviso in superficie come una violenta folata che si espande per formare un gust front. Quest’ultimo è un mini fronte freddo, normalmente accompagnato da banchi di nubi, basse, scure ed informi. L’outflow e la pioggia continuano, ma si attenuano gradualmente. La base della nube si innalza notevolmente perchè le idrometeore sono più facilmente evaporate nell’aria in discesa che viene riscaldata adiabaticamente, e tutti i segni di ulteriore convezione sono rimpiazzati da nuvolosità a medio ed alto livello. D’altro canto il sistema temporalesco può anche continuare, ripetendo il processo con il suo updraft che ha nel frattempo cambiato di posto.