Fronti, cicloni e perturbazioni

Umidità, punto di rugiada e nuvole

L'aria contiene vapore acqueo, ma ne può contenere solo una quantità massima, che aumenta con la temperatura. L'umidità relativa è il rapporto percentuale fra il vapore presente e quello massimo possibile a quella temperatura.

Come si raffredda l'aria in natura? Salendo. In quota la pressione è minore, l'aria si espande e, espandendosi, si raffredda (senza scambiare calore con l'esterno: trasformazione adiabatica). Finché l'aria non è satura il raffreddamento è di circa $1\ ^\circ\text{C}$ ogni $100\ \text{m}$ (gradiente adiabatico secco). Il punto di rugiada, invece, cala solo di circa $0{,}2\ ^\circ\text{C}$ ogni $100\ \text{m}$. Le due temperature si avvicinano di circa $0{,}8\ ^\circ\text{C}$ ogni $100\ \text{m}$, finché coincidono: lì inizia la nuvola.

Dopo la condensazione si libera calore latente (lo stesso che era servito a far evaporare l'acqua): l'aria satura si raffredda più lentamente, circa $0{,}5$–$0{,}6\ ^\circ\text{C}$ ogni $100\ \text{m}$ (gradiente adiabatico saturo).

Effetto Föhn

Quando una massa d'aria deve superare un rilievo (sollevamento orografico) il suo percorso si divide in due parti.

• Sopravvento: l'aria sale, si raffredda, condensa e scarica pioggia. Dopo la condensazione si raffredda meno ($0{,}6\ ^\circ\text{C}/100\ \text{m}$).

• Sottovento: l'aria, ormai povera di vapore, scende e si riscalda comprimendosi con il gradiente secco ($1\ ^\circ\text{C}/100\ \text{m}$).

Il bilancio finale è che l'aria arriva a valle più calda e più secca di com'era partita: è il vento di Föhn, noto sulle Alpi e sull'Appennino.

Masse d'aria e fronti

Una massa d'aria è una grande porzione di atmosfera con temperatura e umidità abbastanza uniformi, acquisite nella regione di origine (polare, tropicale, marittima, continentale). Quando due masse con caratteristiche diverse si incontrano non si mescolano subito: restano separate da una superficie inclinata detta fronte. L'aria calda, meno densa, tende a risalire sopra quella fredda.

Sul fronte caldo la salita è lenta, a scala di centinaia di chilometri: il cielo si copre gradualmente e la pioggia dura ore. Sul fronte freddo la salita è brusca e verticale: nuvole alte e rovesci improvvisi.

Il fronte occluso nasce perché il fronte freddo, più veloce, raggiunge il fronte caldo e lo sorpassa: l'aria calda viene sollevata completamente dal suolo e rimane intrappolata in quota fra due masse più fredde.

Cicloni extratropicali e mediterranei

Alle medie latitudini aria polare fredda e aria tropicale calda si incontrano lungo il fronte polare. Qui il forte gradiente termico è una riserva di energia potenziale disponibile: quando l'aria calda sale e quella fredda scende, il baricentro dell'atmosfera si abbassa e l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica dei venti.

Ciclo di vita di una depressione:

1. Ondulazione: il fronte, inizialmente stazionario, si increspa e si forma un minimo di pressione.

2. Sviluppo: il fronte caldo e quello freddo ruotano in senso antiorario (emisfero Nord) attorno al minimo; il settore caldo si restringe.

3. Occlusione: il fronte freddo raggiunge quello caldo; il gradiente termico si riduce.

4. Dissipazione: la sorgente di energia è esaurita e la depressione si colma.

Nel Mediterraneo i cicloni sono più piccoli e hanno caratteri propri. Le Alpi ostacolano le masse d'aria fredde in arrivo da nord e favoriscono la formazione di un minimo secondario (la ciclogenesi sottovento alle Alpi, tipica del golfo di Genova). Il mare relativamente caldo fornisce calore e vapore, che a fine estate e in autunno rendono le precipitazioni molto intense.

Cicloni tropicali

I cicloni tropicali (uragani, tifoni) si formano su oceani con superficie a almeno circa $26\text{–}27\ ^\circ\text{C}$, lontano dall'equatore (serve la forza di Coriolis per la rotazione). Sono alimentati dal calore latente di condensazione.

Retroazione positiva:

1. il mare caldo evapora molto e l'aria umida sale;

2. in quota il vapore condensa e libera calore latente;

3. l'aria si scalda ancora e sale di più, la pressione al suolo cala;

4. dal basso arriva altra aria umida, più vento, più evaporazione: il ciclo si rinforza.

Al centro c'è l'occhio: una zona di aria discendente, calma e quasi senza nuvole, circondata dalla parete dell'occhio dove i venti sono più violenti. Sulla terraferma il ciclone perde la fonte di vapore e di calore e per attrito si indebolisce.

Convezione e temporali

Se una bolla d'aria sollevata resta più calda dell'ambiente circostante, continua a salire per galleggiamento: è la convezione. L'atmosfera è condizionatamente instabile quando l'aria non satura è stabile, ma una volta sollevata fino alla condensazione (dove il calore latente rallenta il raffreddamento) diventa più calda dell'ambiente e accelera verso l'alto.

Una cella temporalesca singola, tipica delle calde giornate estive in Pianura Padana, ha tre fasi:

1. Cumulo: correnti ascensionali, la nube cresce verticalmente; ancora senza pioggia.

2. Maturità: coesistono correnti ascendenti e discendenti; pioggia, fulmini, a volte grandine. Raggiunge la massima altezza (cumulonembo con incudine).

3. Dissipazione: prevalgono le correnti discendenti che spengono la fonte di aria calda e umida; la nube si esaurisce.

Grandine: le gocce, sostenute da forti correnti ascensionali, salgono oltre la quota di $0\ ^\circ\text{C}$ e congelano; ricadono, si ricoprono di nuovo di acqua, risalgono e crescono a strati finché il loro peso supera la spinta della corrente.

Vuoi chiudere il cerchio con il gancio iniziale? Il temporale di settembre in Pianura Padana è una cella di convezione; il calo di temperatura e il cielo sereno che seguono segnalano il passaggio di un fronte freddo.

In sintesi