Lezione in preparazione
Abbiamo così compreso che, a causa delle diverse temperature a cui si trova l’aria che la compone, l’atmosfera terrestre è in continuo rimescolamento.
Però, oltre alle correnti verticali e ai venti, nessun altro fenomeno avrebbe luogo nell’atmosfera se essa non contenesse sempre quantità più o meno grandi di acqua nel suo stato aeriforme, cioè il vapore acqueo.
Come tutti gli elementi chimici e i loro composti, così anche l’acqua si può trovare in ognuno dei tre stati, solido, liquido, e aeriforme.
Causa dei cambiamenti di stato sono le variazioni della pressione e della temperatura: tutti sappiamo, per esempio, che alla pressione atmosferica esistente al livello del mare, l’acqua solidifica a O°C e bolle a 100°C, mentre questi valori della temperatura variano al variare della pressione.
I cambiamenti di stato sono la fusione (da solido a liquido), l’ evaporazione (da liquido ad aeriforme), la condensazione (da aeriforme a liquido), la solidificazione (da liquido a solido), e la sublimazione (da solido ad aeriforme e viceversa).
Durante ogni cambiamento di stato si verifica sempre anche uno scambio di calore, detto calore latente, tra l’elemento che cambia stato e l’ ambiente circostante.
Ciò che interessa particolarmente ai fini meteorologici è che, durante il passaggio da liquido a vapore, l’acqua assorbe dall’ambiente una grande quantità di energia (589 chilocalorie per ogni chilogrammo d’acqua evaporato alla temperatura di 15°C) sotto forma di calore latente di vaporizzazione. Questa energia calorifica immagazzinata dal vapore viene poi totalmente restituita all’ambiente durante il processo inverso, cioè durante la condensazione.
Il vapore passa nell’atmosfera dalle superfici degli oceani e degli specchi d’acqua in generale, nonché dalla vegetazione e dagli altri esseri viVenti sulla Terra. L’energia necessaria all’evaporazione viene naturalmente fornita dal Sole.
Il vapore d’acqua è un gas perfettamente trasparente alla luce, che quindi non si vede. Non si commetta pertanto l’errore, assai diffuso, di affermare che le nubi, o ciò che si vede uscire da una pentola in ebollizione, è vapore: si tratta di minutissime goccioline d’acqua già allo stato liquido e perciò visibili.
L’umidità, che si misura mediante gli igrometri, può essere espressa come umidità assoluta, umidità specifica, e umidità relativa.
L’umidità assoluta è la quantità di vapore, espressa in grammi, contenuta in un metro cubo d’aria (gr/m³). Rappresenta la densità, o concentrazione, del vapore acqueo in un miscuglio di vapore acqueo e di aria secca. È una grandezza poco usata in quanto, essendo funzione del volume, varia al variare dello stesso, ed è perciò in molti casi difficilmente misurabile e continuamente variabile.
L’umidità specifica è la quantità di vapore, espressa in grammi, contenuta in un chilogrammo di aria (gr/kg). Essendo ottenuta dal rapporto tra la massa di vapore acqueo e la massa di aria umida che lo contiene, rappresenta la concentrazione di massa, o contenuto di vapore.
Viene impiegata al posto di quella assoluta per esprimere l’umidità di una massa d’aria in movimento verso l’alto, quando la sua densità è in continua diminuzione, e perciò uno stesso volume contiene sempre meno aria, mentre un chilogrammo rimane sempre tale, qualunque sia la variazione della densità.
L’umidità relativa è il rapporto percentuale tra la quantità di vapore contenuto in una massa d’aria e la quantità massima che la stessa massa ne può contenere a parità di temperatura e pressione. Cerchiamo di chiarire meglio questo rapporto, che è fondamentale per comprendere il verificarsi di certi fenomeni meteorologici.
Si ipotizzi di prendere una massa d’aria qualunque, per esempio quella contenuta in una stanza e mantenendone costante la temperatura, di immettervi vapore acqueo (per esempio con un vaporizzatore); si noterà che per un po’ di tempo l’aria continuerà ad assorbire il vapore immesso, ma a un certo punto sulle pareti si formerà un velo d’acqua liquida, e la stanza si riempirà di nebbia.
Ciò avviene perché l’aria della stanza è diventata satura, cioè contiene tutta l’umidità che può contenere e quella che si continua a immettere viene “espulsa” sotto forma di acqua allo stato liquido.
Quando una massa d’aria si satura, la sua umidità relativa è del 100%, in quanto il rapporto tra l’umidità contenuta e la massima contenibile è uguale a 1.
La temperatura dell’ aria alla quale si verifica la saturazione in condizioni di pressione e di quantità di vapore costanti, si chiama temperatura del punto di rugiada (td), o, più semplicemente, punto di rugiada (dew point). La temperatura di rugiada è tanto più bassa quanto più l’aria è secca.
Se la temperatura di rugiada è al di sopra del punto di congelamento, quando l’aria si satura si ha condensazione in forma di nebbia o rugiada, mentre se è al di sotto si ha sublimazione in forma di cristalli di ghiaccio che danno origine alla nebbia ghiacciata e alla brina.
Se ora torniamo alla stanza piena di nebbia e ne innalziamo la temperatura, notiamo che la nebbia si dissolve e l’acqua sulle pareti evapora. Ciò succede perché, innalzando la temperatura dell’aria, pur avendo lasciata invariata la quantità di acqua presente, si è accresciuta la capacità dell’ aria di contenere vapore. In altre parole si è abbassata l’umidità relativa al di sotto del 100%, e l’aria non è più satura.
Per far raggiungere la saturazione a una massa d’aria si possono pertanto seguire due vie: la prima consiste nell ‘immettere nuovo vapore nell’aria, e in tal caso si aumenta il rapporto:
vapore contenuto
Ur = ———————————————————
vapore massimo contenibile
aumentandone il numeratore.
La seconda consiste nel raffreddare la massa d’aria lasciando invariata la quantità di vapore esistente; in tal caso, siccome la quantità massima di vapore contenibile varia in modo direttamente proporzionale alla temperatura dell’ aria, si fa raggiungere il valore 1 al rapporto facendone diminuire il denominatore.
Con il seguente esempio numerico pensiamo di poter chiarire definitivamente il fenomeno. Un metro cubo d’aria alla temperatura di 20°C, contenendo 10 grammi di vapore, ha un’umidità relativa del 50%.
Lo stesso metro cubo d’aria contenente gli stessi 10 grammi di vapore, se portato alla temperatura di 10°C diventa saturo, cioè la sua umidità relativa diventa del 100%, e la temperatura di 10°C costituisce la temperatura di rugiada (valori approssimati).
L’umidità relativa è chiamata anche stato igrometrico dell’aria, in quanto ne rappresenta il grado di saturazione.
Quanto minore è l’umidità relativa, tanto più l’aria è secca, e quindi suscettibile di favorire l’evaporazione e ricevere altro vapore; viceversa, quanto maggiore è l’umidità relativa, tanto più l’aria è umida, e quindi tanto minore è la sua capacità di favorire l’evaporazione e di ricevere altro vapore.
