La differenza di temperatura tra due masse d’aria si traduce in “spinta di galleggiamento” (Archimede) che provoca una salita della massa d’aria più calda (d’altronde l’equiibrio tra fluidi è legato alla densità). Una massa d’aria più calda si eleverà rispetto a quella più freda (circostante) fino a raggiungere l’equilibro, ovvero fino a che non raggiunge un ambiente avente lo stesso stato Termodinamico.

Va premesso che l’aria è un cattivo conduttore (di calore ma anche di eletricità) e il sollevamento è piuttosto veloce rispetto alle costanti di tempo termiche che caratterizzano il sistema. Per tale motivo, la massa in esame non riesce a scambiare calore con l’ambiente: parleremo pertanto di trasformazione Adiabatica (quindi senza scambi di calore).

Ora, è bene rammentare che l’aria priva vi umidità è concetto teorico. La presenza di acqua (umidità) rende lo studio non approssimato alquanto complesso. Si tratta infatti di uno studio “psicrometrico” : non basterebbero formule analitiche ma servirebbero altri strumenti come, ad esempio, i diagrammi di Mollier. A chi pratica il Volo Sportivo da Diporto (V.D.S.) è suffiente conoscere, prendendoli come dogma, i seguenti valori:

Gradiente adiabatico secco

Gradiente adiabatico saturo

NOTA: i valori del gradiente adiabatico saturo vanno da 0.6 a 0.8 .

Il gradiente termico adiabatico varia a seconda dell’umidità dell’aria, o meglio dello stato della massa d’acqua contenuta al suo interno. Il vapore è un gas incolore mentre l’acqua allo stato liquido è visibile ad occhio nudo. Le nuvole, infatti, sono costiutuite da “aerosol” ovvero da particelle di acqua liquia sospese. l’umidità dell’aria può esser quindi “invisibile” ma è presente.

Si parla di umidità relativa, ovvero la quantità di vapore contenuto all’interno di una miscela “aeriforme-vapore” che, a parità di condizioni, presenta un limite ben preciso: A parità di pressione e temperatura la massa d’aria non può contenere più di un certo quantitativo di vapore, l’eccesso di acqua è sogetta ad un cambio di stato, ovvero viene “riportata” alla fase liquida (sottoforma di aerosol). Fino a che l’umidità relativa resta inferiore al 100% si considera “secca” e si usa appunto il “gradiente adiabatico secco”. Superata la “temperatura di rugiada”, ovvero la temperatura per la quale (a parità di pressione) si ha il 100% di umidità relativa, inizia a formarsi la fase liquida: Si ha saturazione, pertanto si parla di “gradiente adiabatico saturo”.

Per i gradienti adiabatici (secco e saturo) si utilizzano valori di riferimento (convenzione) che consentono di valutare se vi è o meno “stabilità”. Tali valori possono considerarsi costanti nel tempo e nello spazio, in prima approssimazione non dipendono dalle stagioni o dalla regione geografica. Quello che varia è invece il “gradiante termico verticale” , ovvero come varia la temperatura al variare dell’altezza, costruito previo misurazioni condotte nella zona in esame. Il grafico nel quale viene riportato il gradiente termico verticale viene detto “curva di stato”.

La massa d’aria salendo è soggetta ad una riduzione di pressione (la pressione, definita come “peso della colonna d’aria sull’unità di superficie”, diminuisce salendo di quota) e quindi si espande, compiendo lavoro di espansione perdendo “energia interna”:ciò si traduce in una diminuzione di temperatura (viceversa, scendendo viene compressa: essendo sogetta a lavoro esterno, l’ energia interna aumenta causando un aumento di temperatura). Quindi sale fino a che, come accennato, la temperatura interna non raggiunge la temperatura esterna (equilibrio).

Si noti che la temperatura dell’ambiente può sia aumentare che diminuire con la quota. In quest’ultimo caso parleremo di “inversione”.

Se il gradiente termico verticale è inferiore al gradiente adiabatico secco si ha “stabilità”: ovvero si raggiungerà l’equilibrio il prima possibile. Raggiunto tale equilibrio, la massa d’aria oscillerà lievemente intorno al punto di equilibrio per via delle inerzie per poi stabilizzarsi. Oltre quella quota non si sale.

Per dualismo, se il gradiente termico verticale è superiore al gradiente adiabatico secco, le differenze di temperatura saranno sempre più marcate al variare della quota. La “driving force” (forza di trascinamento) che causa l’elevamento della massa d’aria sarà sempre maggiore: l’equilibro (virtualmente) non viene mai raggiunto e la massa d’aria salirà sempre più veloce. Per tale motivo tale condizione è preferibile da chi pratica V.D.S. perchè consente di raggiungere quote più elevate.

Si parla di “equilibrio” indifferente in caso gradiente termico verticale e adiabatico assumano lo stesso valore.

Matematicamente si può interpretare il gradiente di temperatura come il coefficiente angolare delle rette.

Facendo un passo avanti, è bene fare alcune considerazioni sull’apparente “inutilità pratica” del gradiente adiabatico saturo.

Quando inizia la saturazione infatti iniziano a formarsi i cumuli tra i quali è caldamente consigliato non infilarsi. La riduzione del gradiente adiabatico (passando da secco a saturo) fornisce una spiegazione del perchè sia pericoloso volare in nube (oltre che per problemi, non banali, causati dalla scarsa visibilità). Questo infatti causa un incremento importante e quasi improvviso dell’instabilità con conseguente aumento delle accelerazioni in gioco e delle turbolenze .

La diminuzione del “gradiente adiabatico” può essere spiegato partendo dal fatto che la condensazione dell’acqua è un processo “esotermico”, ovvero restituisce calore all’ambiente (prelevato durante la fase di evaporazione: non è altro che il “principio di conservazione dell’energia”). Questo calore viene restituito alla massa d’aria e fa si che la temperatura diminuisca in modo minore durante l’espansione.

Tale aspetto spiega anche perchè quando piove si possono osservare importanti venti freddi al suolo: l’acqua “liquida” in sospensione può ulteriormente assobire calore e rievaporare . Il processo di evaporazione è “endotermico” ovvero preleva calore dall’ambiente raffreddando la massa circostante che quindi diventa “più pesante” dell’aria calda circostante e scende violentemente. Una volta raggiunto il suolo, che è un ostacolo al proprio moto, questa si “espanderà a ragiera” provocando i suddetti venti freddi (che possono essere piuttosto violenti e improvvisi). Questo fenomeno è (anche) conosciuto col nome di “vento di rilascio”.

Oltre il “punto di rugiada” si ha una variazione di pendenza. Notare come la differenza di temperatura aumenti più velocemente. In sostanza, stabilita la temperatura di rugiada si può dedure la quota a cui incomincia a formarsi il cumulo, detta in gergo “base-cumulo”. Si avrà base-cumulo alla quota in cui la temperatura della massa d’aria raggiunge la temperatura di rugiada. Ecco spiegato perchè i cumuli sono un eccellente indicatore di attività termica.

Un ulteriore fenomeno di interesse pratico è “l’inversone”. La temperatura che diminuisce con la quota, nel punto chiamato punto di “inversione” cambia inizia ad aumentare. Si ha un cambiamento si segno del gradiente termico verticale che da negativo diventa positivo. L’inversione può avvenire a quote molto basse e dai decolli è riconoscibile grazie ad una “foschia” osservabile guardando verso valle. Ci si aspetti turbolenza (anche importante) nell’attraversare lo strato di inversione.

Matteo Gentileschi