I fisici risolvono l'enigma della formazione delle nuvole

Una delle maggiori sfide della fisica atmosferica è spiegare come si formano le nuvole.

I fisici conoscono le basi, ovviamente: che a una certa temperatura e pressione, il vapore acqueo si condensa in goccioline che si combinano per formare gocce di pioggia abbastanza pesanti da cadere sulla Terra.

Il diavolo è nei dettagli. Questo processo di aggregazione delle goccioline a volte avviene così rapidamente da non poter essere spiegato. La maggior parte delle persone avrà visto le nuvole formarsi in pochi minuti e la pioggia apparire quasi dal nulla.

I ricercatori hanno persino misurato questo processo. Vedono comunemente goccioline con un diametro di 15 micrometri, troppo piccole per la pioggia, crescere fino a 50 micrometri o più in meno di mezz'ora. È abbastanza grande da innescare un acquazzone.

La domanda è come avviene questa crescita. Nessun modello standard di formazione di goccioline può spiegarlo (almeno, in assenza di formazione di ghiaccio), ma oggi abbiamo una soluzione grazie al lavoro di Vassilios Dallas e Christos Vassilicos all'Imperial College di Londra.

Al centro di questo problema c'è una quantità chiamata numero di Stokes, dal nome del matematico irlandese George Stokes, che lo inventò nel XIX secolo. Il numero di Stokes è una quantità adimensionale correlata all'inerzia che descrive come le gocce d'acqua si scontrano in un flusso di gas. È estremamente sensibile alla scala alla quale si verificano queste collisioni.

Quando il numero di Stokes è piccolo, una goccia segue il flusso del gas mentre si muove attorno a un'altra goccia e quindi raramente si scontrano. Quando il numero è grande, le goccioline hanno una maggiore inerzia e quindi non possono evitare di sbattere l'una contro l'altra.

Ecco il problema. Prima che si formino le nuvole, le goccioline sono piccole e il numero di Stokes è minuscolo. Pertanto le goccioline si scontrano raramente. Dopo la formazione delle nuvole, le goccioline sono grandi e il numero di Stokes è enorme, il che significa che le particelle si combinano facilmente, creando pioggia. Ma come avviene questo passaggio?

C'è un problema di pollo e uova qui. Le goccioline non possono crescere rapidamente a meno che il numero di Stokes non sia grande, ma il numero di Stokes non può essere grande a meno che le goccioline non siano grandi.

La svolta che Dallas e Vassilicos hanno fatto è mostrare come la turbolenza cambia questa relazione. Dicono che la turbolenza si verifica su una vasta gamma di scale, comprese le scale micrometriche in cui si formano le goccioline. L'effetto di questa turbolenza è di creare grandi variazioni nel numero di Stokes sulla scala micrometrica. Questo, dicono, è ciò che fa collidere più spesso le minuscole goccioline.

In sostanza, Dallas e Vassilicos affermano che la turbolenza su scala micrometrica accelera la formazione delle nuvole e innesca gli acquazzoni.

È un risultato interessante, anche se non del tutto inaspettato, che dovrebbe portare a previsioni meteorologiche migliori. Forse in modo più significativo, potrebbe anche avere un grande impatto sui modelli climatici. Le nuvole hanno un grande effetto sulla quantità di luce che la Terra riflette nello spazio. Essere in grado di calcolare meglio quando si formano è importante.

E tappa un buco imbarazzante nella nostra comprensione di uno dei fenomeni atmosferici più elementari.

Rif: arxiv.org/abs/1012.0578 : Iniziazione della pioggia in nuvole calde

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