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Osservando con una lente la neve in arrivo, si trova una stupefacente variabilità di forme, sempre diverse, che vanno da quelle semplici, quali piastrine o prismi cavi o aghi sottili,
a quelle combinate, a quelle più o meno complesse e ramificate delle stelle o dei cristalli dendritici, stellari o ramificati,
fino a strutture strane e complesse (es. a proiettile o di aggregazione), per finire al "fiocco" vero e proprio che può raggiungere dimensioni di molti centimetri di diametro.
Tale variabilità è dovuta all'interazione fra temperatura e contenuto di vapore dell'aria, fattori dai quali dipende sia l'orientamento che la velocità di crescita del cristallo; da notare, inoltre, che nella discesa a terra il cristallo può incontrare condizioni di temperatura e di umidità via via diverse che interferiscono sul regime di crescita e quindi sulla forma finale.
La formazione dei cristalli è un fenomeno complesso, legato al fatto che l'acqua in natura può essere contemporaneamente presente nei tre stati di solido (ghiaccio), liquido (acqua) ed aereiforme (vapore); così nell'atmosfera, anche con temperature molto inferiori a 0°C, possono coesistere goccioline liquide sopraffuse, nuclei di ghiaccio e molecole di vapore.
Le molecole si liberano, con intensità che dipende dal calore disponibile nel sistema, dal liquido (per evaporazione) o dal ghiaccio (per sublimazione diretta) fino a saturare l'ambiente circostante; raggiunta la saturazione, il numero di molecole che sfuggono dall'acqua o dal ghiaccio è eguale a quello delle molecole che vi rientrano (per il ghiaccio si parla di sublimazione inversa). La quantità di acqua, espressa in gr/mc, che può esistere in un metro cubo d'aria come vapore saturo (cioè quando, in pratica, l'umidità relativa è del 100%) varia in funzione della temperatura:
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Temp. °C |
-20 |
-10 |
0 |
10 |
20 |
30 |
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Vapore gr/mc |
0,9 |
2,1 |
4,8 |
9,3 |
17,1 |
30,0 |
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In aria satura, una diminuzione di temperatura, dovuta a raffreddamento notturno o all'innalzamento in quota, comporta che una parte delle molecole non può rimanere sotto forma di vapore, ma deve condensare (passaggio da gas a liquido) o sublimare (da gas direttamente a solido) ed è così che compaiono le nuvole.
Consideriamo ad esempio 1 mc d'aria con umidità relativa del 60 % e temperatura di 20°C.
Col 60 % di umidità l'aria non è satura (infatti contiene solo 10,26 gr contro i 17,1 previsti in tabella e pertanto l'acqua può rimanere sotto forma di vapore, quindi invisibile),
ma se si raffredda fino a 0°C parte dell'acqua (precisamente 10,26 - 4,8 = 5,46 gr) deve condensare da vapore a liquido o sublimare a ghiaccio depositandosi sui nuclei, rispettivamente di condensa o sublimazione, costituiti da granelli di polvere o sabbia o microcristalli di sale portati in sospensione dai venti.
Se da 1 mc passiamo ad una "nuvoletta" di 1 kmc (1km di larghezza x 2 km di lunghezza x 500 m di spessore) i 5,46 gr diventano ben 5.460.000 kg (ossia litri) di acqua liquida, che dovrebbero ricadere immediatamente al suolo (come succede con la "pioggia a catinelle" dei temporali estivi), ma entra in gioco il calore latente a complicare le cose.
Il calore latente interviene nei cambiamenti di stato di una sostanza ed è così chiamato perché un termometro non registra variazioni di temperatura anche se continuamo a fornire calore. Esempio: se ad 1 kg di ghiaccio a temperatura di -5°C forniamo calore la sua temperatura si alza e possiamo seguirne l'aumento sul termometro;
quando si arriva a 0°C il ghiaccio comincia a fondere (non a sciogliersi, cosa che fa il sale o lo zucchero in acqua) e, pur continuando a fornire calore, la temperatura rimane costante a 0°C finchè il ghiaccio non è fuso tutto e solo dopo, l'acqua, comincerà ad aumentare di temperatura.
Il calore "nascosto" è servito a movimentare le molecole, cioè a causare il passaggio dallo stato solido a 0°C a quello liquido, ed è pari a circa 80 Kcal/Kg . Nel congelamento avviene precisamente l'inverso: l'acqua arrivata a 0°C solidifica (salvo il fenomeno della sopraffusione)
liberando calore nel sistema circostante e finchè c'è acqua liquida da solidificare la temperatura resta a 0°C; questo fenomeno ha una pratica applicazione nel sistema "antibrina" usato per salvare dalle bruciature da gelo i fiori delle piante fruttifere.
Il calore latente interviene in tutti i passaggi di stato fisico: per l'evaporazione di acqua a 0°C è di 596 Kcal/Kg, per la sublimazione di 676 Kcal/Kg. La condensa nella "nuvoletta" di cui sopra porta quindi uno sviluppo di oltre 3,2 miliardi di Kcal,
calore che riscalda sia l'aria (da cui la veloce espansione in quota ben visibile nelle nuvole temporalesche estive) che l'acqua (quindi influisce sulla rapidità della condensazione), con un riscaldamento differenziato in base al calore specifico dei singoli materiali.
Al calore latente di condensazione e/o sublimazione è anche dovuto il fenomeno del Föhn, vento particolare di origine orografica di cui si parlerà in seguito.
Il calore specifico è la quantità di calore necessaria per elevare di 1°C la temperatura di 1 kg massa di una data sostanza; per l'acqua serve 1Kcal/Kg*°C ed è importante osservare che, salvo elio ed idrogeno, tutte le altre sostanze naturali hanno valori inferiori; qualche dato:
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Acqua |
0,98 - 1,0 |
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Rocce, vetro e asfalto |
0,20 - 0,25 |
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Ghiaccio |
0,50 |
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Carta e legno |
0,50 - 0,60 |
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Aria a pressione normale |
0,22 |
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Ferro |
0,12 |
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Se ad 1 Kg di queste sostanze forniamo 10 Kcal di calore, le teoriche temperature raggiunte sono le seguenti (fermo restando che, a pressione normale, non può esistere un ghiaccio "bollente" a 20°C):
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Acqua |
10 °C |
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Rocce, vetro e asfalto |
50 - 40 °C |
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Ghiaccio |
(20 °C) |
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Carta e legno |
20 - 17 °C |
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Aria a pressione normale |
45 °C |
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Ferro |
83 °C |
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Il calore specifico è importante non solo per le interazioni sulla genesi dei cristalli di neve e sulla loro metamorfosi una volta depositati a terra, ma anche per gli effetti sull'ecosistema terrestre visto che il sole, per raggi incidenti perpendicolarmente, fornisce ogni minuto 1,932 cal/cmq;
può sembrare poco, ma anche riducendo tale valore a 0,5 cal/cmq (per obliquità dei raggi ed altre cause), rapportando ad ora e a metro quadro si ottiene il valore notevole di 300 Kcal. E' grazie al diverso calore specifico che l'aria si riscalda velocemente,
che le rocce e l'asfalto delle strade raggiungono temperature di 60 - 70°C in poche ore di insolazione, mentre l'acqua, a parità di calore fornito, si riscalda molto meno e più lentamente.
Da questa particolarità deriva che se raffreddiamo 1 mc di acqua (pari a 1.000 litri e quindi a 1.000 kg) per ogni grado di raffreddamento si liberano circa 1.000 Kcal contro le sole 200 - 250 Kcal che si ottengono da una roccia, il che spiega la mitigazione delle escursioni termiche giornaliere e stagionali
delle aree vicine al mare o a grandi laghi con correlati effetti sul clima locale, sulla circolazione dell'aria negli strati bassi dell'atmosfera (correnti ascensionali sopra zone rocciose e desertiche, brezze di lago ed altri venti periodici tipici ) e vari altri fenomeni naturali.
Bisogna infine accennare alla sopraffusione: mentre il ghiaccio fonde sempre quando la temperatura raggiunge il punto di fusione (0°C a pressione normale) ed il flusso di calore continua, in ambiente in quiete assoluta e non inquinato da polveri l'acqua pura può rimanere liquida anche al di sotto del punto di solidificazione
(sulla terra fino a - 12°C circa, nelle nuvole anche fino a - 40°C); il minimo urto o l'aggiunta di corpi estranei provoca l'immediata solidificazione (per eventuali esperimenti usare quindi contenitori resistenti per evitare danni), mentre la temperatura si innalza bruscamente fino a 0°C per l'emissione del solito calore latente.
Torniamo ora nelle nuvole e vediamo cosa succede: goccioline sopraffuse, nuclei di ghiaccio amorfo (cioè derivato dalla solidificazione di acqua liquida e ben diverso da quello cristallino prodotto dalla sublimazione inversa) e molecole di vapore si trovano a coesistere assieme e,
in un ampio volume d'aria che viaggia verso la sua destinazione, si possono considerare in quiete. Nell'ambiente saturo le molecole che si liberano da acqua e ghiaccio eguagliano quelle che vi ritornano, ma abbiamo visto come il calore necessario per l'evaporazione (596 Kcal/kg) sia inferiore a quello per la sublimazione (676 Kcal/kg = 596 di evaporazione + 80 di fusione),
quindi a pari temperatura attorno alle goccioline sopraffuse la tensione di vapore saturo (in pratica il numero di molecole) è maggiore che non attorno ai nuclei di ghiaccio. Nella tabella che segue sono riportati, in gr/mc, i diversi contenuti massimi di vapore per aria satura in rapporto all'acqua (VSA) e al ghiaccio (VSG):
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Temp. °C |
-20 |
-18 |
-16 |
-14 |
-12 |
-10 |
-8 |
-6 |
-4 |
-2 |
0 |
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VSA |
1,08 |
1,29 |
1,50 |
1,74 |
2,04 |
2,38 |
2,74 |
3,16 |
3,65 |
4,21 |
4,83 |
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VSG |
0,89 |
1,08 |
1,28 |
1,52 |
1,81 |
2,15 |
2,53 |
3,99 |
3,52 |
4,13 |
4,83 |
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Come si vede, per temperature inferiori a 0°C, VSG è sempre minore di VSA per cui l'aria satura per l'acqua risulta sovrassatura per il ghiaccio e il vapore in più deve sublimare sul nucleo ghiacciato, che così si accresce di volume con velocità tanto maggiore quanto maggiore è la differenza tra VSA e VSG
(dalla tabella si nota come a -10°C la differenza sia di ben 23 gr/mc contro i 17 gr/mc a -6°C e i soli 8 gr/mc a -2°C); ma così avvenendo l'aria diventa insatura per l'acqua, dalla quale quindi possono liberarsi altre molecole e il processo si ripete fino alla scomparsa, per evaporazione, di tutte le goccioline sopraffuse.
Dopo di che rimangono in gioco solo i cristalli di ghiaccio, sui quali però continua la doppia sublimazione e la perdita di molecole è, per la minor attrazione di massa, maggiore dalle punte e dalle strutture più sottili mentre è meno facile la fuga dalle zone compatte, dove invece tende a prevalere il deposito.
In pratica le parti fini tendono ad assottigliarsi ulteriormente, fino a scomparire, mentre crescono i corpi più grossi; la forma del cristallo è quindi sempre in evoluzione sia in aria, anche se rimane alla stessa quota, che dopo caduta al suolo.
L'accrescimento comporta un aumento di peso per cui i cristalli scendono verso terra e in questo movimento possono scontrarsi con residue goccioline di acqua sopraffusa che vi si gelano immediatamente sopra; il fenomeno interessa tutte le forme (es. piastrine e stelle)
e può variare di intensità, fino a ricoprire più o meno completamente la forma originaria (cristallo stellare o di altro tipo).
Diminuendo di quota la temperatura aumenta, e ciò influisce sia sulla intensità di sublimazione che sulla tensione di vapore saturo, per cui cambia il tipo e la velocità di accrescimento dei cristalli che possono così cambiare ancora di forma. Nella discesa i cristalli maggiori possono scontrare cristalli minori, più leggeri,
che vengono così praticamente inglobati dando inizio alla formazione dei fiocchi di neve la cui complessità strutturale dipende dallo spessore della nuvola e dal suo contenuto totale di vapore, dalla lunghezza del tragitto, dalle variazioni termiche, ecc.; i cristalli, quindi, sono sottoposti ad una grande variabilità di situazioni per cui è molto improbabile trovarne due eguali, se non nella forma generale.
Per la nivologia la forma dei cristalli che arrivano al suolo è molto importante; da essa dipendono due cose sostanziali per la valutazione della stabilità, presente e futura, del manto nevoso. Evidente che solo cristalli dendritici ed i relativi fiocchi possono depositarsi ed accumularsi su terreni molto inclinati,
addirittura su pareti verticali o restare appesi, grazie alla coesione feltrosa dovuta all'intreccio delle ramificazioni; forme semplici non si fermano se non su versanti poco inclinati e quindi già una parte del potenziale pericolo di valanghe viene eliminato, mentre per la neve feltrosa il problema
è generale ed è legato o al carico (il peso può facilmente rompere i legami da feltratura) o alle variazioni di forma (metamorfosi) che i cristalli continuano a subire anche dopo il deposito al suolo. Dalla forma dipende inoltre la densità della neve con effetti, oltre che sul peso e quindi sulla velocità di assestamento e di neviflusso, sulla permeabilità e quindi sugli scambi di umidità e calore che, all'interno del manto, sono all'origine delle metamorfosi.
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