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Perché le nubi mantengono la loro forma?

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Di Claudio Giulianelli

Solitamente, quando guardiamo una nuvola muoversi in cielo,quella riesce a muoversi per chilometri mantenendo la propria forma o subendo solo modifiche al bordo. Si pensi per esempio alle stratificazioni, nubi in grado di percorrere anche molte centinaia di chilometri senza subire modifiche, ma anche ai classici cumuli di bel tempo che vediamo in giornate di tramontana. I cumulonembi non rispecchiano questa proprietà, ma la spiegazione al fenomeno è la stessa. L’atmosfera è un sistema fisico molto instabile, basta fare un passo per generare turbolenze attorno a sè e moti caotici. Si pensi al moto dei granelli di polvere quando si crea uno spostamento d’aria camminando. Ma allora, come fanno le nubi a rimanere pressoché intatte nel loro tragitto?

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Per rispondere a questa domanda faremo ricorso ad un operatore matematico chiamato divergenza, ma intuitivamente molto pratico e in grado di spiegare alcuni fenomeni senza entrare nel dettaglio analitico.

Immaginiamo la nostra nube in cielo ad un certo istante. Immaginiamo di porre davanti a lei un cubo in cui deve entrare e uscire. Se la nube esce esattamente uguale a prima,significa che tutto ciò che è entrato è uscito dalla scatola con la stessa velocità iniziale. Se così non fosse,significa che qualcosa dentro la scatola è cambiato,per esempio dentro la scatola qualcosa potrebbe aver spinto la nube o parte di essa,deformandola. In tal caso,la variazione della velocità tra quando la nube esce dalla scatola e quando entra si chiama divergenza. La divergenza dunque sta ad indicare che dentro la scatola c’è qualcosa che cambia il moto della nube,ossia una sorgente di energia. Dato che, come abbiamo osservato, la nube rimane intatta al passaggio dentro la scatola, dentro questa non ci sono sorgenti e la divergenza è nulla. Divergenza nulla dunque significa che se una certa quantità di materia entra nella scatola, esattamente quella deve riuscire dall’altra parte secondo un moto ordinato.

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Mentre per un gas la cosa non è affatto banale,molto più banale lo è per un liquido: i liquidi occupano totalmente il volume di un recipiente,risultando dunque incomprimibili. Se in un tubo spingete da un lato un fluido delimitato da due pistoni,l’altro pistone si muoverà istantaneamente. Se immaginate di far passare quel fluido dentro un pezzo del tubo,tanta massa entra quanta ne esce. La divergenza è dunque nulla.

Abbiamo dunque dedotto che il moto di un gas, come le particelle di una nube, e il moto di un liquido funzionano allo stesso modo. Il che può sembrare anomalo, in quanto i gas sono decisamente comprimibili.

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Come si possono far valere contemporaneamente le ipotesi di incomprimibilità (divergenza nulla) e di comprimibilità in un gas?
Il motivo per cui il moto della nube è costante sta nel fatto che da un punto di vista particellare le molecole hanno si un moto caotico (teoria cinetica dei gas), ma tutte risentono di una velocità comune che crea nel complesso, su macroscala, un moto ordinato. Un fenomeno analogo a quello del moto degli elettroni sulla superficie di un filo di corrente. Su una superficie sferica di altezza h dal suolo terrestre,le particelle hanno tutte la stessa distanza media fra di loro, tra un urto e l’altro. Se in un piccolo punto c’è un addensamento di particelle,si creerà un vuoto dove queste stavano prima. Nel complesso, su macroscala, la densità è costante, esattamente come in un liquido.

Questa ipotesi viene meno se c’è una forzante che fa variare la densità,ossia la sorgente. Una nube che non trasla rimanendo pressoché della stessa forma di prima è il cumulonembo. Chi è la sorgente di energia nel cumulonembo? Ovviamente il calore fornito dal suolo. La divergenza non sarà dunque più nulla, in quanto ci sarà una variazione del moto nella componente verticale della scatola. In atmosfera dunque un gas risulta incomprimibile su superfici a densità costante, sempre parallele al suolo, mentre è comprimibile lungo una colonna d’aria verticale.

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In generale,più ci si avvicina al suolo più le nubi risentono inoltre di attriti col suolo delle correnti,quindi di turbolenze,moti caotici e flussi di calore. La forma della nube può dunque variare rapidamente se l’aria è molto instabile. Non a caso come si diceva prima, un cumulo di bel tempo può vivere per qualche chilometro, una velatura può vivere per centinaia di chilometri, in quanto non risente degli attriti con suolo. L’ipotesi di divergenza nulla dunque funziona tanto meglio quanto più si va in alto con la quota.

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