Queste soffici masse di goccioline d’acqua e cristalli di ghiaccio, ovvero le nuvole, sembrano dover precipitare a terra, ma rimangono sospese in alto sopra di noi. La risposta a questo mistero sta nella fisica dell’atmosfera ed è una storia affascinante che coinvolge tutto, da temperatura e fino pressione alle proprietà delle molecole d’acqua.
La nascita di una nuvola: come si uniscono le molecole d’acqua
Le nuvole nascono quando le molecole d’acqua nell’aria si uniscono per formare minuscole goccioline o cristalli di ghiaccio. Questo processo è chiamato condensazione e si verifica quando l’aria calda e umida sale e si raffredda, facendo condensare il vapore acqueo in goccioline d’acqua visibili. Perché ciò avvenga, la particella d’aria deve essere satura, cioè incapace di trattenere tutta l’acqua che contiene sotto forma di vapore, quindi inizia a condensare in forma liquida o solida.
La temperatura alla quale si verifica la condensazione dipende dalla quantità di umidità nell’aria. Se l’aria è molto umida, la condensa può verificarsi a una temperatura più elevata rispetto a quando l’aria è secca. Questo è il motivo per cui spesso vediamo formarsi delle nuvole nelle giornate calde e umide.
La condensazione avviene con l’aiuto di minuscole particelle che fluttuano nell’aria, come polvere, cristalli di sale degli spruzzi marini, batteri o persino cenere dei vulcani.
Una volta che le gocce d’acqua o i cristalli di ghiaccio si sono formati, iniziano a ingrandirsi mentre si scontrano l’uno con l’altro. Alla fine, diventano abbastanza grandi da essere visibili ad occhio nudo e nasce una nuvola.
Perché le nuvole restano a galla
Le nuvole sono fatte sia di aria che di cristalli d’acqua, che insieme dovrebbero essere più densi dell’aria. Tuttavia, le nuvole sembrano galleggiare, sfidando la gravità, anche se gli oggetti più densi dovrebbero affondare. Inoltre, alcune nuvole possono diventare molto, molto pesanti. Una nuvola di dimensioni modeste, ovvero di circa un chilometro di diametro, ha la stessa massa di un jumbo jet B-747.
Ma se è così, perché le nuvole non cadono?
Questo perché tecnicamente affondano nell’aria circostante, solo che lo fanno a una velocità così ridotta che, a tutti gli effetti pratici, galleggiano.
Già nel XVI secolo, Galileo Galilei dimostrò che tutti gli oggetti cadono liberamente alla stessa velocità indipendentemente dalla loro massa, ma solo nel vuoto. Mentre la forza di gravità spinge verso il basso un oggetto, costringendolo a cadere verso la sua superficie, anche le particelle d’aria con cui si scontra durante la discesa esercitano una forza nella direzione opposta. Questo è noto come resistenza all’aria o “trascinamento”.
La resistenza dell’aria è fortemente influenzata dalla forma dell’oggetto. Più un oggetto è aerodinamico, minore è la resistenza dell’aria. Ecco perché i jet da combattimento hanno una forma molto stretta. Al contrario, gli stessi principi spiegano perché un paracadutista può atterrare in sicurezza con l’aiuto di un paracadute, che distribuisce la massa su un’ampia superficie. Poiché una nuvola è così estesa su una vasta area, la sua resistenza all’aria è enorme.
E oltre alla resistenza dell’aria, c’è un’altra forza che sostiene le nuvole: la convezione dell’aria che crea una forza verso l’alto.
Questa forza verso l’alto è creata dai gradienti di temperatura e pressione all’interno dell’atmosfera. Quando l’aria sale, si raffredda, facendo condensare il vapore acqueo in goccioline visibili o cristalli di ghiaccio. Questo processo rilascia calore nell’aria circostante, che fa diventare una nuvola più calda e meno densa dell’aria circostante. Quest’aria calda e meno densa sale, creando una forza verso l’alto che aiuta a mantenerla in alto annullando la leggera velocità di caduta della nuvola. Inoltre, la condensazione dell’aria che sale contribuisce alla sopravvivenza e alla crescita delle nuvole aggiungendo nuovo vapore acqueo.
Quindi, mentre le nuvole contengono molti cristalli d’acqua e goccioline che sono tecnicamente più dense dell’aria circostante, quest’acqua si diffonde per chilometri in maniera così sottile che l’effetto della gravità diventa trascurabile. Inoltre, se c’è una potente corrente ascensionale, la nuvola può mantenere l’altitudine praticamente indefinitamente fino a quando non si dissipa a causa dell’aumento della temperatura.
