Cumulus
Origini
I cumuli si formano 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.
Calore
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 dettetermiche (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.
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.
Stabilità ed instabilità
Perchè vi sia formazione di nubi lo strato sottostante la base della nube non deve essere stabilmente stratificato; allora le termiche saliranno al livello di condensazione. L’altezza di quest’ultimo può variare durante il giorno con il valore medio dell’umidità. In generale, si può dire che il continuo mescolamento verso l’alto di calore ed umidità nella prima parte della giornata abbassa l’umidità relativa dello strato di mescolamento e spinge di conseguenza verso l’alto il livello di condensazione. Il rapido riscaldamento di aria relativamente umida al mattino può produrre soffici cumulus e cumulus fractus dalla base abbastanza bassa. Ciascuno di essi localizza precisamente la condensazione di termiche umide all’interno di una massa d’aria fondamentalmente secca. Questi cumuli del mattino spesso scompaiono quando un ulteriore riscaldamento innalza la temperatura media e diluisce i volumi d’aria molto umida. Dopo alcune ore di cielo libero e di ulteriore riscaldamento appaiono i cumuli “canonici” ad un’altezza più elevata dei precedenti. Quando lo strato di mescolamento è sottile le termiche non possono salire molto prima di essere fermate da uno strato stabile. Calore ed umidità si accumulano in assenza di nubi fino al raggiungimento di un livello critico ed allora cumuli di notevoli proporzioni si formano repentinamente.
D’altra parte uno strato di mescolamento profondo permetterà una formazione più precoce e numericamente più significativa di nubi, ma esse diminuiranno più in fretta a causa di una maggiore riserva di aria secca dall’ambiente circostante. Nel caso tipico di una giornata limpida con poco vento il profilo dell’atmosfera mostra che la temperatura ed il contenuto di vapore acqueo sono relativamente alti vicino al suolo e calano costantemente con l’altezza. Se la velocità di diminuzione della temperatura (lapse rate) è maggiore del raffreddamento equivalente all’interno di una termica in ascesa, l’atmosfera è instabile e la nube aumenta di volume. Possono esserci molti strati di instabilità relativamente maggiore o minore e questi possono essere identificati osservando i cumuli nella loro ascesa. In corrispondenza di strati localmente più stabili la nube rallenta la sua salita e si espande orizzontalmente e può addirittura fermarsi fino a che termiche più robuste perforano lo strato. Nubi che entrano in uno strato più instabile al contrario accelerano la loro crescita.
Umidità
L’umidità media dello strato di mescolamento determina l’altezza del livello di condensazione e, di conseguenza, se i cumuli si formano prima, dopo o per nulla. Una massa d’aria secca, ma instabile può produrre cumuli con alta base di nube e torri alte e sottili che si innalzano velocemente ed evaporano nel giro di minuti. In alcuni casi il top continua a salire al di sopra dei livelli inferiori che si sono già dissolti. Masse d’aria umide non solo daranno origine a molti cumuli con bassa base di nube e nubi stratificate residue, ma anche ad un cielo che appare più ingombro con alcune nubi che ancora crescono mentre altre evaporano lentamente. Con instabilità ancora più grandi la scena include nubi più grandi che danno origine ad acquazzoni convettivi.
Vento e shear del vento
Quando l’aria è calma vicino al suolo le variazioni locali di temperatura ed umidità permangono discontinue e possono essere documentate osservando il primo cumulo che si forma. Alcuni possono formarsi sopra una collina, aperta campagna od una città, ma essere completamente assenti sopra un lago più freddo od una foresta. Ciascuna nube è un identificatore di una particella d’aria più prona alla formazione di nubi, la quale è originata vicino al suolo. Le nubi possono iniziare presto nella giornata ma sparire velocemente poichè la maggior parte del mescolamento è verticale e le termiche sono presto accompagnate da downdrafts più secchi. Quando mettiamo in gioco una certa brezza le cose cambiano radicalmente. Tutte le variazioni locali sono spazzate via e mescolate più a valle. Una volta che le termiche si presentano più forti l’intero strato di mescolamento ne rimane interessato e diviene abbastanza uniforme. Le nubi si formano più tardi del normale ed hanno difficoltà a crescere dal momento che i loro top si piegano in avanti e si mescolano nel flusso turbolento. Porzioni incoerenti di cumulus fractus si mostrano per prime, laddove i top di termiche allungate nella direzione del flusso sfiorano il livello di condensazione. Gradualmente le nubi crescono, ma sono ora più uniformemente dimensionate e spaziate, e nubi più grandi possono anche non formarsi per nulla poichè porzioni precedentemente umidificate sono mescolate al di là del lecito. È un paradosso che il caos, almeno apparente, di una forte corrente d’aria induca la formazione di un livello di condensazione uniforme e di una disposizione ordinata di elementi di nube! I venti possono variare sensibilmente con l’altezza sia in velocità che in direzione. Nelle zone temperate i primi 1-3 km sono normalmente caratterizzati da sistemi barici in superficie mentre ai livelli superiori avviene il cambiamento secondo le prevalenti correnti occidentali. Un aumento della forza del vento con l’altezza induce i cumuli a piegarsi in avanti cosí che i loro top si muovono più velocemente delle rispettive basi. Un forte shear del vento può poi “strappare” i top anche a grandi cumuli trascinando i “resti” anche molto distante dalla loro sorgente. Cambiamenti in direzione del vento possono poi distorcere la forma dei cumuli più alti riducendoli a masse informi ed irregolari. Ciascuna nube è il prodotto di forze diverse la cui mutua interazione può essere “letta” in qualche modo dall’osservatore.