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I fenomeni meteorologici sono generati da due fonti energetiche principali:
- Il sole
- Il vapore acqueo
Il principale contributo del sole all'energia atmosferica è quello di consentire alle masse d'aria di muoversi. Lo fa riscaldando in modo non uniforme la Terra tra le regioni tropicali e polari, generando così differenze di temperatura e densità, e quindi di pressione, tra queste masse d'aria. Per cercare di ristabilire l'equilibrio idrostatico tra queste regioni, l'aria si muove sotto forma di vento.
Il contributo energetico del vapore acqueo interviene in un secondo momento, quando l'aria inizia a muoversi verticalmente. Sollevandosi l'aria si raffredda permettendo alle molecole d'acqua, presenti sotto forma di vapore, di unirsi per formare delle goccioline. Questo processo, chiamato “condensazione”, genera una grande quantità di energia.
L'energia presente in un temporale
I movimenti verticali dell'atmosfera sono quindi all'origine di due processi apparentemente contraddittori:
- Consentono all'atmosfera di raffreddarsi (per decompressione) fino a raggiungere la saturazione e produrre acqua liquida.
- Questa produzione di acqua liquida (condensazione) si traduce a sua volta nel rilascio di una grande quantità di energia sotto forma di calore recuperato dall'atmosfera circostante.
Ma allora la domanda sorge spontanea: quando sale, l'aria si raffredda o si riscalda?
La risposta è la seguente: l'aria si raffredda sempre quando sale, ma più produce acqua liquida, più si raffredda lentamente. L'aria perfettamente secca perderà circa 1 °C ogni 100 m, mentre l'aria satura perderà in media solo 0,6 °C.
La quantità di calore riassorbita dall'atmosfera in una porzione di aria ascendente satura dipende quindi dalla quantità di acqua presente sotto forma di vapore acqueo in quella stessa porzione.
Che cos'è il vapore acqueo? Si tratta di molecole d'acqua talmente agitate che rimbalzano l'una sull'altra senza riuscire ad “attaccarsi” tra loro. Questo movimento molecolare ha un nome: calore. Più le molecole di vapore acqueo sono agitate, più è possibile inserirne un gran numero in un volume d'aria senza che si uniscano a formare delle goccioline.
Si può quindi riassumere il concetto nel modo seguente:
- Più l'aria è calda, più può contenere vapore acqueo, di conseguenza più energia può essere rilasciata durante la condensazione.
- A parità di temperatura, maggiore è la quantità di vapore acqueo contenuta in una massa d'aria, maggiore è l'energia che può essere rilasciata durante la condensazione.
Poiché un'immagine vale più di mille parole, cercheremo di illustrare il concetto con l'ausilio di alcuni radiosondaggi.
CAPE: l'energia presente in una particella ascendente
Quando una massa d'aria perfettamente secca si raffredda, segue una delle curve inclinate riportate di seguito in funzione della sua temperatura iniziale; il tasso di raffreddamento è relativamente costante, circa 1 °C ogni 100 m di altitudine. Prendiamo ad esempio una temperatura iniziale di 20 °C:
Se invece la massa d'aria è satura, seguirà una delle curve riportate di seguito. Il tasso di raffreddamento non è più costante, ma dipende dalla quantità di vapore acqueo presente nell'atmosfera e, di conseguenza, dal calore rilasciato durante la condensazione. Poiché l'umidità è presente soprattutto negli strati bassi dell'atmosfera, è a bassa quota che l'energia rilasciata sarà maggiore e l'aria si raffredderà meno rapidamente.
Nella realtà, in condizioni temporalesche, una massa d'aria non è mai satura a bassa quota. Durante la sua ascesa, seguirà quindi una curva mista: la curva dell'aria secca fino alla saturazione, in seguito la curva dell'aria satura fino alla tropopausa (corrispondente all'altitudine dell'incudine delle nubi temporalesche, i cumulonembi). La differenza tra la porzione di aria ascendente e l'aria circostante rappresenta l'energia contenuta nella porzione ascendente sotto forma di calore latente. Questo è chiamato CAPE, rappresentato in rosso qui sotto in un sondaggio previsto dal modello ICON_CH2_CTRL per martedì 20 maggio 2025 alle 15 UTC sull'Altopiano svizzero:
Immaginiamo ora un caso del tutto improbabile, in cui l'aria circostante seguisse la curva dell'aria secca fino alla tropopausa, e osserviamo come si comporterebbe il CAPE in una massa d'aria sempre più calda ma con un tasso di umidità costante attorno al 60%:
Il risultato è evidente: a umidità costante, la quantità di energia contenuta in una massa d'aria calda è infinitamente maggiore rispetto a quella contenuta in una massa d'aria fredda.
Da notare che la base delle nuvole, ovvero l'altitudine alla quale si verifica la condensazione, è costante in questo caso. Si trova a circa 1300 m.
Ripetiamo ora lo stesso esperimento, mantenendo costante la temperatura e variando la quantità di vapore acqueo presente nell'aria (aumentando il tasso di umidità):
Anche in questo caso, si osserva che la quantità di energia contenuta in una massa d'aria umida è infinitamente maggiore rispetto a quella contenuta in una massa d'aria secca.
Contrariamente a un tasso di umidità quasi costante, la base nuvolosa si abbassa in questo caso da circa 4000 m nell'aria molto secca a 1000 m nell'aria molto umida.
Cosa rappresenta il CAPE?
Per avere un'idea dell'energia sprigionata da un temporale, è necessario fare riferimento a esempi concreti.
Il CAPE è una misura di energia e come tale si misura in joule (J). In una situazione temporalesca tipica in Svizzera, il CAPE è dell'ordine di 800-2500 J/kg di aria potenzialmente liberabile nell'atmosfera. Considerando che il peso di una colonna d'aria atmosferica di un metro quadrato è di circa 10 tonnellate e che l'aria può essere aspirata in una supercella a una velocità verticale superiore a 100 km/h, è facile immaginare la quantità impressionante di energia prodotta da un fenomeno di questo tipo.
A titolo di confronto, 90 J rappresentano l'energia cinetica di una pallina da tennis di 60 g lanciata a 200 km/h. Durante un temporale, per la produzione di ogni litro d'acqua vengono liberati 500.000 J. Infine, Météo France stima che l'energia prodotta in un giorno da un uragano corrisponda alla metà della produzione mondiale di elettricità.
Conclusione
La quantità di energia contenuta in una massa d'aria dipende dalla sua temperatura e dalla sua umidità. Come abbiamo visto in precedenza, una massa d'aria molto calda ma molto secca (come quella sahariana con il 17% di umidità relativa) contiene all'incirca la stessa quantità di energia di una massa d'aria a 0 °C ma con un'umidità relativa di circa il 60%.
L'energia della massa d'aria aumenta in modo esponenziale con la temperatura o l'umidità; la ragione di questo aumento è dovuta al fatto che la quantità massima di vapore acqueo che una massa d'aria può contenere è anch'essa esponenziale, come illustrato di seguito:
Di conseguenza, i temporali che si verificano in un ambiente molto caldo e umido causeranno danni molto più ingenti rispetto a quelli che si verificano in un ambiente più secco o più fresco. Le correnti ascensionali saranno notevolmente più intense, i chicchi di grandine più grandi, le raffiche più forti e l'intensità delle precipitazioni più elevata.
A conferma di tutto ciò, ecco due esempi di CAPE in giornate memorabili, che molti ricorderanno sicuramente:
È quindi comprensibile il motivo per cui le catastrofi legate ai temporali si verificano più spesso in estate che in primavera. Ciò è dovuto principalmente al fatto che la capacità di contenere vapore acqueo della massa d'aria è potenzialmente molto più elevata.
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