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:
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Trasformazione ISOTERMA: a temperatura costante;
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Trasformazione ISOBARA: a pressione costante;
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Trasformazione ISOCORA: a volume costante;
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Trasformazione ADIABATICA: senza scambi di calore tra il corpo
considerato e l’ambiente esterno;
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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:
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Per irraggiamento;
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Per conduzione o conducibilità calorica;
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Per convezione.
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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:
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Trasparente (i raggi attraversano il corpo senza scaldarlo, cioè senza
manifestare un aumento di temperatura);
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Riflettente (i raggi vengono respinti e rinviati dalla superficie del
corpo);
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Assorbente (i raggi penetrano nel corpo trasformandosi in calore e
determinando un aumento di temperatura del corpo stesso.
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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:
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Nel caso in cui il previsore ritenga che di notte possa
esserci presenza di cielo sereno, è prevedibile una DIMINUZIONE nelle
temperature minime;
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Nel caso in cui il previsore ritenga che di notte possa esserci la
presenza di una considerevole presenza di copertura nuvolosa, è prevedibile
un AUMENTO nelle temperature minime;
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Nel caso in cui il previsore ritenga che di giorno possa esserci
presenza di cielo sereno, è prevedibile un AUMENTO nelle temperature
massime;
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Nel caso in cui il previsore ritenga che di giorno possa esserci la
presenza di una considerevole presenza di copertura nuvolosa, è prevedibile
una DIMINUZIONE nelle temperature massime.
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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
td, 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 Td  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:
| CONDENSAZIONE: passaggio dallo stato gassoso allo stato
liquido;
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| EVAPORAZIONE: passaggio dallo stato liquido allo stato
gassoso;
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| SOLIDIFICAZIONE: passaggio dallo stato liquido allo stato
solido;
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| FUSIONE: passaggio dallo stato solido allo stato
liquido;
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| SUBLIMAZIONE: passaggio dallo stato solido allo stato
gassoso;
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| SUBLIMAZIONE: passaggio dallo stato gassoso allo stato
solido.
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La condensazione e l’evaporazione sono i processi fisici alla
base della formazione e d
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 td,
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:
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Espansioni dell’aria;
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Mescolanza con aria più fredda;
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Irraggiamento;
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Contatto con una superficie fredda.
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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.
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