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Nubi cumuliformi  -  Cumulus          

 

La formazione dei cumuli si ha nella parte più bassa dell’atmosfera, tipicamente nel primo chilometro. Fino a questo livello il moto delle masse d’aria è regolato dalla struttura prevalente di pressione cosí che il moto delle nubi seguirà molto da vicino il campo dei venti al suolo. I piccoli cumuli possono crescere fino a raggiungere spessori verticali da alcune centinaia ad alcune migliaia di metri, mentre i grandi cumuli raggiungono fino a 4-6 km di altezza prima di perdere le loro caratteristiche morfologiche. Nella maggioranza dei casi i cumuli si formano durante il giorno, evaporano alla sera e sono del tutto assenti durante la notte. Il ciclo diurno di riscaldamento e raffreddamento genera queste nubi ed esse sono un esempio a piccola scala della fonte primaria di energia per tutti i tipi di tempo, cioè il calore. Il sole è la sorgente e l’atmosfera agisce come un gigantesco sistema di trasferimento per la redistribuzione per gli scopi locali. Un’interessante eccezione al normale ciclo diurno è costituita dai casi in cui una sorgente costante di calore scalda la parte inferiore di una massa d’aria fredda, come succede in inverno sopra gli oceani.

Cumulus mediocris

Calore e cumuli

Come avviene il trasferimento del calore dal suolo all’aria? La radiazione solare è assorbita dal suolo il quale la reirradia a lunghezza d’onda più lunga, prontamente assorbita quasi per intero dal vapore acqueo. In aria umida questo significa rapido riscaldamento dell’aria molto vicino al suolo (10-20 m). L’effetto opposto accade la notte quando un sottile strato di nebbia da radiazione si forma a causa del raffreddamento dell’aria vicino al suolo. In aria secca il riscaldamento si espande all’intero strato limite fino ai 500 m di altezza poichè la radiazione deve viaggiare molto di più prima di essere assorbita dalle pochissime molecole di vapore acqueo presenti. Una volta che l’aria si è riscaldata al punto da divenire instabile e capace di salire per sollevamento interno, singole porzioni d’aria dette termiche (thermals) iniziano a salire. Questo processo di convezione è il mezzo primario con il quale l’atmosfera trasporta calore verso l’alto, anche quando non sono presenti nubi.

Cumulus congestus

Fasi nella formazione di un cumulo - Le termiche

La convezione inizia con il sollevamento di porzioni d’aria calda originate vicino al suolo. Quando queste passano attraverso il livello di condensazione formano piccoli cumuli con la base piatta e la sommità arrotondata. Il top è definito in modo molto netto poichè nella cupola del cumulo continuano a formarsi nuove goccioline. Nello stesso tempo piccole porzioni di nube si possono vedere al di sotto o allo stesso livello del top ad indicare una continua evaporazione intorno alla periferia della nube. Il raffreddamento evaporativo produce un moto discendente che può essere notato osservando singole protuberanze che si formano al top, ruotano verso l’esterno e poi precipitano verso il basso intorno al bordo. Ciascuna porzione mescolata si assesta al proprio livello di equilibrio mentre il core più caldo continua il sollevamento. Il risultato finale è una scia di “resti” di nube che viene trascinata dal flusso orizzontale. Il top continua a salire fino a che l’evaporazione ha il sopravvento sulla condensazione o si espande all’esterno in uno strato stabile. Il cielo con cumuli in formazione può trarre in inganno facendo pensare che le cose non stiano cambiando di minuto in minuto, ma cosí non è in quanto i cambiamenti sono costanti e molto rapidi. Ogni nube sottoposta ai processi contemporanei di formazione ed evaporazione può durare anche soltanto dieci minuti, ma il cielo nella sua totalità sembra sempre uguale a se stesso e cambia lentamente nel giro di ore.

 

Ciascun cumulo consiste generalmente di diverse termiche separate che salgono in successione. Una volta che l’aria si è raffreddata un pò ed è scesa il sito diviene meno favorevole per la formazione continua di nubi e le nubi che ancora rimangono evaporano. D’altra parte, questa zona di cielo può costituire una zona preferenziale per termiche successive poichè l’aria è stata umidificata dalla precedente evaporazione. L’aria che sale espande come un cono in continuo allargamento. Se essa contiene fumo, la bolla in espansione può essere osservata allargarsi sempre di più fino a raggiungere lo strato stabile. Se le nubi facessero la stessa cosa vedremmo enormi masse nuvolose coniche con una base molto stretta. I cumuli, invece, sono quasi l’opposto e ciò dimostra che un qualche potente fenomeno ulteriore influenza la loro forma e dimensioni: la notevole erosione dovuta all’evaporazione e movimento verso l’esterno di materiale della nube.

 

Nei piccoli cumuli l’intrusione (entrainment) di aria secca nella loro scia ben presto li dissolve completamente, ma nel caso dei grandi cumuli il mescolamento al top è responsabile della maggior parte dell’evaporazione che ha luogo. In termini quantitativi l’updraft all’interno della nube può avere una velocità ascensionale doppia di quella del top della nube. Come poi sia l’aspetto di ogni nube dipende essenzialmente dalla velocità di ascesa e dalla relativa secchezza dell’aria circostante.

 

Il diagramma sulla sinistra mostra le streamlines medie in un pennacchio di aria calda dotato di buoyancy proveniente da una sorgente costante di calore. Le singole particelle si muovono secondo cammini molto complicati e l’effetto netto è di trascinare all’interno, o mescolare, aria tutt’intorno e il pennacchio espande. 2. Una termica singola (massa di aria calda in ascesa) genera una circolazione che trascina aria esterna verso l’alto nel mezzo del sistema, la quale viene poi mescolata con l’aria sovrastante nella regione del mescolamento. 3. Nel frattempo l’intera termica si ingrandisce e si espande verso l’alto in forma conica che è più ampia di quella di un pennacchio caldo. I cammini delle singole particelle che circolano intorno alla termica sono indicati dalle frecce ondulate nel diagramma di destra. Quando una termica raggiunge il livello della nube è tipicamente due o tre volte più grande di quando è partita dal suolo.