Massimo M.
23-02-2021, 20:30
In questa discussione voglio riassumere i concetti sul raffreddamento precipitativo.
La sublimazione, la fusione e l’evaporazione provocano l’abbassamento del limite della quota neve nel profilo verticale per uno spessore che risulta estremamente variabile e che dipende essenzialmente dalla velocità orizzontale dell’aria, dall’intensità della precipitazione, dal gradiente di temperatura verticale, dal diametro e geometria del fiocco e dall’umidità relativa.
ASPETTI ENERGETICI
Il flusso di calore sensibile dipende dalla differenza di temperatura tra il fiocco e l’aria mentre il flusso di calore latente dipende dalla differenza della densità del vapore (RH) tra il fiocco e l’aria.
La sublimazione assorbe 2594 J/g e l’evaporazione 2260 J/g. Il contributo della fusione pari alla differenza tra i due (334 J/g) è quindi tutto sommato modesto rispetto all’evaporazione.
La fusione e il ricongelamento possono essere combinati con l'evaporazione / sublimazione, in modo che lo scambio termico latente e sensibile del fiocco sia bilanciato dal flusso di calore dall'atmosfera. Per l'aria umida, cioè l'aria con un'elevata umidità relativa, ci si può aspettare poca evaporazione / sublimazione a causa dell'elevata densità di vapore che circonda il fiocco mentre ci si può aspettare di più per l'aria secca a causa della bassa densità di vapore intorno al fiocco.
L’effetto potenziale raffreddante della precipitazione è quasi 10 volte superiore in una colonna secca rispetto ad una colonna satura in cui l’unica fonte raffreddante è quella della fusione.
VELOCITA’ ORIZZONTALE DELL’ARIA
Questo elemento ha un senso solo se si pensa ad uno shear orizzontale tra la zona di produzione della precipitazione e la ventilazione di basso livello da raffreddare. Ipotizzando che la precipitazione sia fissa su una zona, la ventilazione di basso livello rappresenta una potenza termica entrante nella zona della precipitazione che si oppone alla potenza termica raffreddante dovuta alla sublimazione/fusione/evaporazione della precipitazione. L’abbassamento della QN si stabilizza nel punto di equilibrio tra la potenza termica entrante e quella raffreddante.
In linea teorica se l’aria di basso livello è ferma, la potenza termica entrante è nulla e qualunque precipitazione sarebbe in grado di raffreddare la colonna fino al suolo. Ad esempio il NW e le valli alpine possono realizzare questa situazione. In questi casi il limite al raffreddamento è dovuto allo scambio termico verticale dovuto alla convezione o al rimescolamento. Se questo scambio verticale è interrotto da uno strato di inversione il raffreddamento è molto più profondo.
INTENSITA’ DELLA PRECIPITAZIONE
È evidente che l’intensità di precipitazione rappresenta la potenza raffreddante a disposizione. In linea teorica in assenza di vento per abbassare di 200 metri la QN basterebbe far sublimare 0,14 mm nel caso di colonna secca o far fondere 1,10 mm nel caso di colonna satura.
GRADIENTE VERTICALE DI TEMPERATURA
Aria stratificata richiede ovviamente meno energia raffreddante rispetto ad una colonna rimescolata con un profilo di temperatura che segue l’adiabatica secca o umida. Inoltre, come accennato sopra una colonna rimescolata è indice di scambio verticale di calore e quindi di maggior difficoltà al raffreddamento precipitativo.
DIAMETRO E GEOMETRIA DEL FIOCCO
A parità di RH la capacità di sublimazione o evaporazione dipende dalla superficie specifica del fiocco o della goccia intesa come il rapporto tra la superficie e la massa del fiocco [cm2/g].
La sfera è il solido geometrico che a parità di volume minimizza la superficie. La superficie specifica di una sfera aumenta con la diminuzione del raggio. Una goccia d’acqua sferica del diametro pari a 5 mm ha una superficie specifica di 12 cm2/g. Una goccia del diametro pari a 0.2 mm ha una superficie specifica di 300 cm2/g.
Per quanto riguarda il fiocco queste sono le tipologie.
https://i.imgur.com/3ihLOmO.jpg
https://i.imgur.com/UtcrBzB.jpg
Ora se prendiamo un metro cubo di colonna d’aria la superficie specifica complessiva di scambio di vapore tra fiocco/goccia e aria dipende da tre fattori. La superficie specifica del fiocco/goccia, l’intensità di precipitazione e la velocità di caduta del fiocco/goccia.
Il rapporto intensità di precipitazione fiocco definisce il contenuto d’acqua nel metro cubo di colonna. Il contenuto d’acqua aumenta con l’aumentare dell’intensità e con il calare della velocità di caduta. Vediamo le valutazioni del contenuto d’acqua e della superficie di scambio complessiva aria/acque di tre tipologie di precipitazione, tutte caratterizzate da un’intensità pari a 10 mm/h:
1) Contenuto d’acqua pari 0.31 g/m3 per una precipitazione di gocce di pioggia da 5 mm che cadono con una velocità verticale di circa 9 m/s. In questo caso tenendo conto che la superficie specifica del tipo di goccia è circa 12 cm2/g, la superficie specifica di scambio complessiva è pari a circa 3.7 cm2/m3.
2) Contenuto d’acqua pari a 3.47 g/m3 per una precipitazione di gocce di pioggia da 0.2 mm che cadono con una velocità verticale di circa 0.8 m/s. In questo caso tenendo conto che la superficie specifica del tipo di goccia è circa 300 cm2/g, la superficie specifica di scambio complessiva è pari a circa 1041 cm2/m3.
3) Contenuto d’acqua pari a 5.55 g/m3 per una precipitazione di piccoli cristalli dendritici di neve che cadono con una velocità verticale di circa 0.5 m/s. In questo caso tenendo conto che la superficie specifica del tipo di goccia è circa 1500 cm2/g, la superficie specifica di scambio complessiva è pari a circa 8300 cm2/m3.
La geometria e dimensione del fiocco incidono sulla superficie di scambio per la sublimazione e l’evaporazione per cui hanno effetto solo nel caso di colonna non satura. È evidente che nel caso di una forte precipitazione nevosa costituita da piccoli cristalli dendritici difficilmente avverrà in una colonna secca in quanto il potere umidificante caratteristico del tipo di precipitazione è enorme.
UMIDITA’ RELATIVA
L’umidità relativa rappresenta la capacità dell’aria di farsi raffreddare dal calore latente di sublimazione o di evaporazione. Con aria satura l’unica di possibilità di raffreddamento è rappresentata dal calore latente di fusione ben inferiore a quello assorbito dal passaggio allo stato gassoso.
Oltre a produrre un miglior raffreddamento una bassa umidità permette di mantenere in vita il fiocco anche per temperature superiori a 0°C (accade quando il flusso di calore sensibile è inferiore a quello latente). In questo il passaggio rapido e massivo allo stato gassoso permette di mantenere attorno al fiocco aria raffreddata alla temperatura prossima a 0°C.
https://i.imgur.com/eKCFSHf.jpg
La sublimazione, la fusione e l’evaporazione provocano l’abbassamento del limite della quota neve nel profilo verticale per uno spessore che risulta estremamente variabile e che dipende essenzialmente dalla velocità orizzontale dell’aria, dall’intensità della precipitazione, dal gradiente di temperatura verticale, dal diametro e geometria del fiocco e dall’umidità relativa.
ASPETTI ENERGETICI
Il flusso di calore sensibile dipende dalla differenza di temperatura tra il fiocco e l’aria mentre il flusso di calore latente dipende dalla differenza della densità del vapore (RH) tra il fiocco e l’aria.
La sublimazione assorbe 2594 J/g e l’evaporazione 2260 J/g. Il contributo della fusione pari alla differenza tra i due (334 J/g) è quindi tutto sommato modesto rispetto all’evaporazione.
La fusione e il ricongelamento possono essere combinati con l'evaporazione / sublimazione, in modo che lo scambio termico latente e sensibile del fiocco sia bilanciato dal flusso di calore dall'atmosfera. Per l'aria umida, cioè l'aria con un'elevata umidità relativa, ci si può aspettare poca evaporazione / sublimazione a causa dell'elevata densità di vapore che circonda il fiocco mentre ci si può aspettare di più per l'aria secca a causa della bassa densità di vapore intorno al fiocco.
L’effetto potenziale raffreddante della precipitazione è quasi 10 volte superiore in una colonna secca rispetto ad una colonna satura in cui l’unica fonte raffreddante è quella della fusione.
VELOCITA’ ORIZZONTALE DELL’ARIA
Questo elemento ha un senso solo se si pensa ad uno shear orizzontale tra la zona di produzione della precipitazione e la ventilazione di basso livello da raffreddare. Ipotizzando che la precipitazione sia fissa su una zona, la ventilazione di basso livello rappresenta una potenza termica entrante nella zona della precipitazione che si oppone alla potenza termica raffreddante dovuta alla sublimazione/fusione/evaporazione della precipitazione. L’abbassamento della QN si stabilizza nel punto di equilibrio tra la potenza termica entrante e quella raffreddante.
In linea teorica se l’aria di basso livello è ferma, la potenza termica entrante è nulla e qualunque precipitazione sarebbe in grado di raffreddare la colonna fino al suolo. Ad esempio il NW e le valli alpine possono realizzare questa situazione. In questi casi il limite al raffreddamento è dovuto allo scambio termico verticale dovuto alla convezione o al rimescolamento. Se questo scambio verticale è interrotto da uno strato di inversione il raffreddamento è molto più profondo.
INTENSITA’ DELLA PRECIPITAZIONE
È evidente che l’intensità di precipitazione rappresenta la potenza raffreddante a disposizione. In linea teorica in assenza di vento per abbassare di 200 metri la QN basterebbe far sublimare 0,14 mm nel caso di colonna secca o far fondere 1,10 mm nel caso di colonna satura.
GRADIENTE VERTICALE DI TEMPERATURA
Aria stratificata richiede ovviamente meno energia raffreddante rispetto ad una colonna rimescolata con un profilo di temperatura che segue l’adiabatica secca o umida. Inoltre, come accennato sopra una colonna rimescolata è indice di scambio verticale di calore e quindi di maggior difficoltà al raffreddamento precipitativo.
DIAMETRO E GEOMETRIA DEL FIOCCO
A parità di RH la capacità di sublimazione o evaporazione dipende dalla superficie specifica del fiocco o della goccia intesa come il rapporto tra la superficie e la massa del fiocco [cm2/g].
La sfera è il solido geometrico che a parità di volume minimizza la superficie. La superficie specifica di una sfera aumenta con la diminuzione del raggio. Una goccia d’acqua sferica del diametro pari a 5 mm ha una superficie specifica di 12 cm2/g. Una goccia del diametro pari a 0.2 mm ha una superficie specifica di 300 cm2/g.
Per quanto riguarda il fiocco queste sono le tipologie.
https://i.imgur.com/3ihLOmO.jpg
https://i.imgur.com/UtcrBzB.jpg
Ora se prendiamo un metro cubo di colonna d’aria la superficie specifica complessiva di scambio di vapore tra fiocco/goccia e aria dipende da tre fattori. La superficie specifica del fiocco/goccia, l’intensità di precipitazione e la velocità di caduta del fiocco/goccia.
Il rapporto intensità di precipitazione fiocco definisce il contenuto d’acqua nel metro cubo di colonna. Il contenuto d’acqua aumenta con l’aumentare dell’intensità e con il calare della velocità di caduta. Vediamo le valutazioni del contenuto d’acqua e della superficie di scambio complessiva aria/acque di tre tipologie di precipitazione, tutte caratterizzate da un’intensità pari a 10 mm/h:
1) Contenuto d’acqua pari 0.31 g/m3 per una precipitazione di gocce di pioggia da 5 mm che cadono con una velocità verticale di circa 9 m/s. In questo caso tenendo conto che la superficie specifica del tipo di goccia è circa 12 cm2/g, la superficie specifica di scambio complessiva è pari a circa 3.7 cm2/m3.
2) Contenuto d’acqua pari a 3.47 g/m3 per una precipitazione di gocce di pioggia da 0.2 mm che cadono con una velocità verticale di circa 0.8 m/s. In questo caso tenendo conto che la superficie specifica del tipo di goccia è circa 300 cm2/g, la superficie specifica di scambio complessiva è pari a circa 1041 cm2/m3.
3) Contenuto d’acqua pari a 5.55 g/m3 per una precipitazione di piccoli cristalli dendritici di neve che cadono con una velocità verticale di circa 0.5 m/s. In questo caso tenendo conto che la superficie specifica del tipo di goccia è circa 1500 cm2/g, la superficie specifica di scambio complessiva è pari a circa 8300 cm2/m3.
La geometria e dimensione del fiocco incidono sulla superficie di scambio per la sublimazione e l’evaporazione per cui hanno effetto solo nel caso di colonna non satura. È evidente che nel caso di una forte precipitazione nevosa costituita da piccoli cristalli dendritici difficilmente avverrà in una colonna secca in quanto il potere umidificante caratteristico del tipo di precipitazione è enorme.
UMIDITA’ RELATIVA
L’umidità relativa rappresenta la capacità dell’aria di farsi raffreddare dal calore latente di sublimazione o di evaporazione. Con aria satura l’unica di possibilità di raffreddamento è rappresentata dal calore latente di fusione ben inferiore a quello assorbito dal passaggio allo stato gassoso.
Oltre a produrre un miglior raffreddamento una bassa umidità permette di mantenere in vita il fiocco anche per temperature superiori a 0°C (accade quando il flusso di calore sensibile è inferiore a quello latente). In questo il passaggio rapido e massivo allo stato gassoso permette di mantenere attorno al fiocco aria raffreddata alla temperatura prossima a 0°C.
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