Il nostro viaggio alla scoperta del fenomeno pioggia parte ancor prima che si sia formata la nube dalla quale cadranno poi le gocce di pioggia.
Le nubi sono un agglomerato di microscopiche particelle d'acqua allo stato liquido (goccioline) o solido (cristalli di ghiaccio) in sospensione nell'atmosfera e la pioggia non è altro che la precipitazione di queste goccioline o cristalli di ghiaccio. Il nostro viaggio inizia quindi da alcune considerazioni sul vapore acqueo presente in atmosfera, in quanto è proprio dalla condensazione o sublimazione del vapore acqueo che nascono le goccioline e i cristalli che costituiscono una nube dalla quale può successivamente originarsi la pioggia.
In determinate condizioni di temperatura e di pressione, un dato volume d'aria può contenere vapore acqueo solo fino a una certa quantità, raggiunta la quale diviene saturo. Se in una massa d'aria in condizioni di saturazione il contenuto di vapore aumenta ulteriormente allora la quantità di vapore in eccesso condensa sotto forma di goccioline.
Siamo così giunti ad una prima fondamentale conclusione: perché si abbia condensazione o sublimazione del vapore devono innanzitutto essere state raggiunte le condizioni di saturazione.
La saturazione di una massa d'aria, e quindi la condensazione del vapore, viene raggiunta o mediante il raffreddamento dell'aria umida o attraverso l'umidificazione della massa d'aria. La maggior parte delle nubi sono originate da processi di raffreddamento: al diminuire della temperatura l'aria si avvicina alla saturazione essendo minore la quantità di vapore che vi può essere contenuta. Da un punto di vista termodinamico il raffreddamento può avvenire o per semplice perdita di calore (raffreddamento isobarico) o per sollevamento della massa d'aria. Infatti nel sollevarsi la massa d'aria incontra pressioni via via minori (la pressione atmosferica diminuisce con la quota), subendo un processo di espansione adiabatica con conseguente raffreddamento (raffreddamento adiabatico). Una massa d'aria non satura e in movimento verticale verso l'alto si raffredda di circa 1 grado ogni 100 metri. Ad una certa quota (base della nube) il raffreddamento dà luogo alla condensazione del vapore. Diverse possono essere le condizioni meteorologiche che nella troposfera portano ad un raffreddamento adiabatico: il sollevamento convettivo, il sollevamento ciclonico, il sollevamento orografico o forzato e il sollevamento frontale.
Una volta raggiunte le condizioni di saturazione sarebbe naturale attendersi che, qualora l'ascesa prosegua, l'ulteriore raffreddamento determini l'unione delle molecole di vapore eccedente generando in tal modo le goccioline della nube. In realtà il processo non è così semplice e spontaneo, perché la neonata goccia tende a disintegrarsi per evaporazione tanto più rapidamente quanto più è piccola. In particolare, in condizioni di saturazione, due molecole di vapore potrebbero restare unite soltanto per un centomilionesimo di secondo; per la formazione di una goccia di 3 molecole, la terza dovrebbe incontrare le altre in tale brevissimo lasso di tempo e il terzetto risulterebbe poi 100 volte più durevole, e così via.
Nelle nubi ogni goccia contiene in media 500 miliardi circa di molecole d'acqua. Come è stato possibile metterle insieme? Si potrebbe supporre che là dove si è generata la gocciolina vi siano stati, in tempi brevissimi, miliardi di urti molecolari casuali. Ma si può dimostrare che un simile evento sarebbe possibile soltanto se il numero di molecole di vapore fosse di gran lunga superiore a quello che si riscontra normalmente in natura in condizioni di saturazione. In particolare, in 1 cm3 di aria, si formerebbe una goccia ogni 1000 anni se la concentrazione di vapore fosse il triplo di quella di saturazione, una goccia all'anno per saturazioni 4 volte superiori e 1000 gocce all'anno per concentrazioni quintuple. Ma poiché in natura il vapore acqueo non raggiunge mai sovrasaturazioni così elevate allora occorre supporre che le gocce di una nube si formino con qualche altro processo. La presenza in atmosfera di particelle con caratteristiche igroscopiche (nuclei igroscopici), che cioè agevolano il "coagulo" delle molecole di vapore in microscopiche goccioline, è il motivo per cui non si osservano mai valori così elevati di sovrasaturazione e la condensazione avviene in condizioni vicine al punto di saturazione. In assenza di nuclei igroscopici la condensazione avviene soltanto se si raffredda la massa d'aria satura al di sotto di -40 °C oppure in presenza di sovrasaturazioni dell'ordine dell'800%.
È nata così la nube, le cui microscopiche goccioline galleggiano nell'aria sostenute dalle stesse correnti ascendenti che hanno portato alla saturazione del vapore acqueo.
A questo punto resta ancora da spiegare come dalle droplet della nube nascano le gocce di pioggia. Per dare inizio alla precipitazione, le goccioline di una nube devono aumentare la propria massa: quando la forza peso risulterà maggiore della resistenza aerodinamica offerta dal moto ascendente che ha portato alla loro formazione e che tende a tenerle in sospensione, esse cadranno verso il basso. Ma se la formazione di una raindrop fosse affidata all'incontro casuale di un così elevato numero di droplet, allora la pioggia sarebbe un evento molto raro. Ma anche in questo caso, la natura ha escogitato diversi processi di accrescimento.
Il primo processo è quello della condensazione del vapore sovrasaturo dell'aria all'interno della nube sulle goccioline già esistenti (accrescimento per condensazione). Tale processo è in realtà molto lento per spiegare il veloce formarsi di una nube convettiva e la conseguente precipitazione, che può avvenire in meno di trenta minuti dall'inizio della formazione della nube stessa. È pertanto necessario ipotizzare un altro processo di accrescimento più rapido ed efficiente.
Le droplet più grandi, trascinate verso l'alto dalle correnti ascendenti, collidono con le gocce più piccole che, essendo più leggere, sono animate da più intense velocità verticali. Nella collisione le gocce più grandi catturano una certa frazione di goccioline urtate. L'aggregazione di goccioline in seguito a collisioni è un fenomeno noto come coalescenza.
Fintanto che le correnti ascendenti sono in grado di mantenere in sospensione le droplet della nube, quest'ultime continueranno ad accrescersi per coalescenza. Infatti raggiunta la sommità della nube, dove le correnti ascendenti sono più deboli e divergono lateralmente, le droplet ricadono verso il basso. Inizialmente le correnti ascendenti sono in grado di arrestare la caduta delle gocce e a sospingerle nuovamente verso l'alto: si creano così continui saliscendi duranti i quali le dimensioni e il peso delle gocce aumentano. Quando il diametro delle gocce raggiungono dimensioni sufficientemente grandi, in genere oltre i 200 micron fino a qualche millimetro, non essendo più sostenute dalle correnti ascendenti, precipitano dalla nube dando vita alla pioggia.
La coalescenza non è l'unico meccanismo in grado di generare pioggia dalle nubi. Infatti, nelle nubi immerse in un ambiente a temperatura sotto zero, alcuni nuclei igroscopici (nuclei glaciogeni) hanno la proprietà di far sublimare su se stessi il vapore acqueo, trasformandosi in tal modo in microscopici cristalli di ghiaccio. A questo punto i neonati cristalli si ingrossano a spese del vapore acqueo dell'ambiente, il quale viene reintegrato dal parziale assottigliamento delle droplet delle nubi. In condizioni ambientali in cui acqua liquida e ghiaccio coesistono è infatti favorita la diffusione del vapore acqueo dalle goccioline e la sua sublimazione sui cristalli di ghiaccio. Questo processo di accrescimento è noto come processo di Bergeron-Findeisen. Quando i cristalli di ghiaccio raggiungono le dimensioni di qualche centinaio di micron, risultano sufficientemente grandi da precipitare. Durante la loro caduta all'interno della nuvola, i cristalli di ghiaccio si ingrossano ulteriormente per coalescenza, sia urtando gocce sopraffuse che congelano, sia unendosi ad altri cristalli di ghiaccio. L'aggregazione di più cristalli dà vita al fiocco di neve.
Quando poi i cristalli di ghiaccio, nella discesa, entrano nell'ambiente a temperatura positiva, si trasformano in gocce di pioggia. Ma se l'atmosfera - come spesso capita in inverno - si mantiene a temperatura sotto zero fino a quote prossime al suolo, i cristalli di ghiaccio non fanno in tempo a sciogliersi e cadono pertanto al suolo come cristalli di neve.
Daniele Izzo