Le nuvole, nel linguaggio scientifico comunemente definite nubi, rappresentano un'idrometeora costituita da goccioline d'acqua o cristalli di ghiaccio, sospesi nell'atmosfera grazie a correnti ascensionali o in stato di galleggiamento. Solitamente non si trovano a contatto con il suolo, sebbene il contatto diretto tra nubi basse e terreno generi il fenomeno della nebbia. La loro esistenza è una delle fasi fondamentali del ciclo dell'acqua nell'idrosfera, strettamente connessa ai processi di condensazione del vapore acqueo e alle successive precipitazioni, come pioggia, neve e grandine.
I meccanismi fisici della formazione nuvolosa
Le nubi si formano quando l'aria, carica di umidità, si raffredda. Il processo ha origine dall'evaporazione dell'acqua presente sulla superficie terrestre, inclusi oceani, laghi e fiumi, a causa dell'irraggiamento solare. Aumentando la temperatura della superficie terrestre, il suolo caldo riscalda per conduzione termica l'aria a contatto con esso. Poiché l'aria calda è meno densa di quella fredda, essa si solleva generando una corrente ascensionale che trasporta l'umidità verso quote superiori.
Durante la salita, l'aria subisce un raffreddamento adiabatico, raggiungendo il cosiddetto punto di saturazione del vapore. A questo stadio, il vapore acqueo condensa trasformandosi in minuscole goccioline di acqua o cristalli di ghiaccio, solitamente con un diametro di 0,01 mm. Il raffreddamento dell'aria al di sotto del punto di saturazione può avvenire per vari fattori: contatto con superfici fredde, raffreddamento adiabatico dovuto al sollevamento, presenza di fronti meteorologici (caldi o freddi) o convezione termica.
I moti convettivi
Il ruolo dei nuclei di condensazione
Un aspetto cruciale, oggetto di studi avanzati come l'esperimento CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) presso il CERN di Ginevra, riguarda i nuclei di condensazione. Le goccioline si formano principalmente quando particelle di pulviscolo, sale, argille o aerosol agiscono da supporto. In condizioni di estrema purezza, sono necessarie molecole di acido solforico combinate con composti organici ossidati, emessi spesso da fonti biologiche come le foreste, per avviare il processo. Sebbene in condizioni di supersaturazione vicine all'800% le goccioline d'acqua possano agire da nuclei, si tratta di un fenomeno raro.
Proprietà ottiche e dinamica del colore
Il colore delle nuvole dipende dall'interazione tra la radiazione solare e le particelle che le costituiscono, un fenomeno regolato dalla riflessione, rifrazione e diffusione della luce. Poiché le nuvole sono in continuo movimento, la loro tonalità è dettata dalla luce che le attraversa nel momento dell'osservazione.
L'elevata dispersione della luce nelle goccioline rende le nubi visibili come masse bianche, ma con l'aumentare della densità e dello spessore, esse appaiono grigie o blu scure, arrivando quasi al nero. La luminanza, termine tecnico che indica il quoziente dell'intensità luminosa, è determinata dalla luce riflessa, diffusa e trasmessa dalle particelle. All'alba e al tramonto, la luce solare radente conferisce alle nuvole colorazioni arancioni e rosa, riflettendo la condizione cromatica del cielo circostante.
Classificazione e morfologia delle nubi
Storicamente, la classificazione delle nubi deriva da metodi del XIX secolo basati sulla nomenclatura latina, tuttora in uso. La distinzione avviene principalmente per quota e forma.
Nuvole alte e cristalli di ghiaccio
I cirri, il cui nome significa "filamento", sono nubi alte e bianche costituite da cristalli di ghiaccio. Appaiono come filamenti lunghi e traslucidi; la loro disposizione permette di osservare la direzione del vento in quota. Sono tra le prime nubi ad essere illuminate dal sole e le ultime visibili al tramonto. I cirrocumuli, invece, appaiono come piccole sfere disposte in banchi, richiamando l'immagine di un gregge di pecore, e sono anch'essi formati da cristalli di ghiaccio.
Formazioni a sviluppo verticale
I cumuli sono masse di goccioline dovute all'evaporazione dal terreno. Tipici del bel tempo, si sviluppano durante le ore più calde e tendono a svanire con il raffreddamento serale. Quando un cumulo è alimentato costantemente da correnti ascensionali, può evolvere in cumulonembo. Queste sono le nubi più turbolente: possono coprire intere regioni e generare violente precipitazioni. A differenza delle nubi a sviluppo orizzontale, i cumulonembi si espandono verticalmente, sovrastando i moti convettivi.
Processi di precipitazione
Le goccioline sospese diventano precipitazioni solo quando raggiungono dimensioni e peso sufficienti per vincere le correnti ascensionali. Nelle medie latitudini, il processo predominante è quello di Bergeron-Findelsen: le goccioline sopraffuse e i cristalli di ghiaccio interagiscono causando una rapida crescita dei secondi, che poi precipitano sciogliendosi parzialmente durante la caduta. Nelle zone tropicali prevale il processo di coalescenza, dove le goccioline più grandi inglobano quelle più piccole tramite collisioni. Le correnti d'aria all'interno della nube creano continui "saliscendi", mantenendo le goccioline in sospensione finché il loro peso non diviene insostenibile, favorendo un ulteriore accrescimento.
Bilancio energetico e impatto climatico
Le nubi coprono circa la metà della superficie terrestre e hanno un ruolo determinante nel bilancio energetico tra Sole e Terra. La loro influenza varia in base allo spessore: le nubi alte e stratificate, come i cirri, tendono a trattenere la radiazione infrarossa terrestre provocando un effetto riscaldante, mentre le nubi basse e dense riflettono la radiazione solare verso lo spazio, esercitando un'azione raffreddante sulla superficie. La comprensione del bilancio complessivo di questi effetti è l'obiettivo della moderna "climatologia delle nubi", una disciplina essenziale per prevedere le evoluzioni climatiche future.
Sebbene sulla Terra le nubi siano composte da vapore acqueo, strutture analoghe sono state osservate su altri corpi planetari. Nello spazio interstellare, il termine "nubi" viene utilizzato in modo differente per descrivere vasti accumuli di materia che non hanno la medesima origine acquosa delle formazioni terrestri. Anche esalazioni di fumo o banchi di polvere atmosferica vengono chiamati "nubi" per analogia di forma, a sottolineare come il concetto meteorologico si sia esteso per descrivere masse visibili sospese in un fluido.