L’instabilità convettiva

L’instabilità convettiva è un fenomeno complesso, con una forte componente di casualità, pur essendo basata su un principio semplicissimo: l’aria calda e leggera tende a salire, quella fredda e pesante a scendere. Da qui hanno origine molti dei soggetti meteorologici che conosciamo, dai semplici cumuli di bel tempo estivi ai temporali.

Nella stagione calda, la quasi totalità della precipitazione in Italia è dovuta a un singolo fenomeno meteorologico: l’instabilità convettiva. Essa trae origine dalla tendenza che ha l’aria, acquistando calore da una qualunque fonte, a salire verso l’alto, perché più leggera dell’aria circostante. Questo accade per il ben noto principio di Archimede, in base al quale un corpo più leggero (meno denso) “galleggia” (tende a salire) rispetto ad uno più pesante (più denso): il principio si applica ad una nave così come a una bolla di vapore in una pentola di acqua bollente.

Una “bolla” d’aria – una piccola porzione di atmosfera, di dimensioni variabili da qualche metro a qualche chilometro – non fa eccezione: un aumento di temperatura implica una diminuzione della densità, per cui la bolla si muove verso l’alto, fermandosi soltanto quando la sua temperatura e la sua densità eguagliano quelle dell’aria circostante (in realtà ancora più in alto, come vedremo). A causare il riscaldamento iniziale possono essere più fattori: il contatto con il suolo a sua volta riscaldato dal sole; il contatto con il mare più caldo dell’atmosfera; il rilascio di calore dalla condensazione del vapore acqueo in goccioline. Il primo caso si ha principalmente nella stagione calda, il secondo d’autunno e d’inverno, il terzo in qualunque stagione all’interno delle nubi.

Prendiamo ora a titolo di esempio il risultato tipico e più innocuo dell’instabilità convettiva: la formazione dei cosiddetti cumuli di bel tempo in una bella giornata estiva (vedi immagine qui sotto). Un cumulo si forma proprio a partire da una bolla d’aria a contatto con il suolo che, riscaldata dal sole, inizia a salire, galleggiando rispetto all’aria circostante. La bolla salendo incontra una pressione atmosferica sempre minore, di conseguenza si espande e si raffredda (per la legge dei gas infatti un’espansione è sempre associata ad un raffreddamento). Pur raffreddandosi, la bolla rimane comunque più calda e quindi meno densa dell’aria circostante, continuando perciò a salire. Ad un certo punto, la temperatura della bolla è sufficientemente bassa perché si raggiunga la saturazione di vapore acqueo, cioè un’umidità relativa del 100%.

Cumuli di bel tempo. Fonte: Wikipedia.

Se la bolla continua a salire e quindi a raffreddarsi, la quantità di vapore risulta in eccesso rispetto a quella massima possibile, per cui parte di esso condensa, formando minuscole goccioline d’acqua: inizia a formarsi una nube, siamo giunti cioè alla base del cumulo di bel tempo. La condensazione del vapore rilascia calore, che va ad aggiungersi a quello inizialmente accumulato dalla bolla, favorendone il galleggiamento: in altre parole, la bolla diventa ancora più calda rispetto all’aria circostante e accelera quindi la sua risalita. Nel corso di questa seconda parte della risalita, l’umidità della bolla rimane incollata al 100%: nuove goccioline continuano a formarsi man mano che la bolla sale, si espande, si raffredda e la quantità di vapore in eccesso è “costretta” a condensare (la massima quantità possibile infatti scende molto rapidamente con la temperatura).

Quando finisce questo processo? A un certo punto la bolla d’aria si è raffreddata a tal punto da risultare più fredda dell’aria circostante: da questo momento in poi la tendenza è non più al galleggiamento, ma al contrario ad “affondare” proprio come un corpo molto denso e pesante affonda in acqua. La bolla continua a salire sullo slancio della velocità di sollevamento iniziale (che in alcuni casi può essere notevole, fino ad alcuni metri al secondo) ma rallenta, per poi fermarsi e tornare giù. Dopo qualche oscillazione, essa si assesterà al livello di equilibrio, al quale la sua temperatura è uguale a quella dell’aria circostante. L’intero processo fin qui spiegato è sintetizzato nello schema qui sotto.

Grafico schematico dell’instabilità convettiva. La curva rossa rappresenta la temperatura della bolla d’aria lungo la sua risalita, quella blu la temperatura dell’aria circostante. Si noti che non è necessario che la bolla d’aria sia più calda dell’atmosfera circostante lungo tutta la risalita, purché essa abbia un minimo di inerzia, cioè velocità acquisita in precedenza.

Un cumulo di bel tempo si forma quando una o più bolle d’aria di varie dimensioni compiono il viaggio descritto sopra, spinte dal riscaldamento del suolo ad opera del sole. Nelle giuste condizioni di umidità (alta) e temperatura (anch’essa alta vicino al suolo, ma sufficientemente bassa negli alti strati, così da favorire un cammino lungo delle bolle), il cumulo di bel tempo si trasformerà in cumulonembo (vedi immagine sotto) e darà luogo al tipico temporale estivo. Come si forma un temporale esattamente? Lo scopriremo nella prossima puntata del glossario meteorologico di Meteoindiretta.