Innanzitutto, grazie per i complimenti, a nome di tutti gli esperti.
Per quanto riguarda la domanda, questo tipo di nubi sono dette ‘orografiche’, o lenticolari, vista la forma spesso levigata che ricorda una lente. Consideriamo infatti lo scenario nella figura seguente:
Figura 1. Andamento delle linee di flusso del vento in presenza di un ostacolo, con formazione di nubi lenticolari (in alto) e di rotore(in basso).
Le linee di flusso del vento, mostrate dalla frecce nere, incontrando un ostacolo sono costrette a risalire il fianco della montagna, fino a scavallare (questo vento è detto Stau nel versante sopravento e Foehn nel versante sottovento).
Nella figura 2 invece sono illustrati i profili di pressione, temperatura e tensione di vapor saturo in un’atmosfera tipica (la cosiddetta atmosfera standard). La pressione (in blu) diminuisce in maniera pressoché esponenziale a causa della attrazione gravitazionale. In rosso è mostrato invece il profilo di temperatura, che generalmente diminuisce con la quota, come conseguenza dell’equilibrio energetico dell’atmosfera. In verde, la pressione di vapore saturo diminuisce al diminuire della temperatura e quindi della quota. Per temperature inferiori agli zero gradi centigradi lo scenario si complica, in quanto occorrerebbe considerare anche la fase solida (ghiaccio).
Figura 2. Pressione, temperatura e pressione di vapor saturo (rispetto all’acqua liquida) in funzione della quota.
Torniamo alla nostra montagna. Salendo di quota la pressione atmosferica diminuisce, e le masse d’aria sperimentano una espansione adiabatica secca, che ne fa diminuire la temperatura. Se non si verificano fenomeni di condensazione, il gradiente termico associato a questo tipo di moto è di circa 10 K/km (cioè 1 grado ogni 100 m).Cioè l’aria a 3 km di quota sarà 30 °C più fredda di quella al livello del mare. Una bella dimostrazione di questo fatto è data nel libro ‘Termodinamica’ di Enrico Fermi.
Cosa succede quando l’aria sale? Al diminuire della temperatura, la quantità di acqua ammissibile in forma di vapore all’interno di una certa massa d’aria diminuisce. La pressione di vapore saturo rappresenta la massima pressione (cioè concentrazione) che può esercitare il vapore acqueo senza condensare, ed è calcolabile dall’equazione di Clausius-Clapeyron. Senza entrare nei dettagli, basti sapere che varie equazioni approssimate sono utilizzate; una delle più diffuse è quella di Bolton (1980):
es = 6.112 e17.67 * T / (T+243.5)
con T in [°C] ed es in [hPa]. La quantità es è la pressione di vapore saturo rispetto all’acqua liquida, e L’andamento di questa equazione è mostrato in figura 2.
Figura 2. Pressione di vapore saturo (rispetto all’acqua liquida) in funzione della temperatura.
Nella pratica, l’umidità relativa di una massa d’aria si esprime approssimatamente come il rapporto tra la pressione di vapore e la pressione di vapor saturo (che dipende dalla temperatura). Quando la pressione parziale del vapore acqueo (che rappresenta la sua concentrazione) raggiunge la pressione di vapore saturo, l’umidità relativa giunge ad 1 (cioè 100%), e l’acqua condensa formando le goccioline di nube.
C’è in realtà da osservare che il meccanismo di formazione delle gocce è tutt’altro che semplice, e che generalmente queste si formano a partire dalle particelle di pulviscolo atmosferico, poiché questo processo, detto nucleazione eterogenea, è termodinamicamente molto più favorevole della nucleazione omogenea. Quanto detto vale del tutto in generale, e descrive la formazione di qualsiasi tipo di nube, anche se le cause della saturazione dell’aria possono essere diverse.
Torniamo ancora alla montagna. Nel versante sottovento le linee di flusso ridiscendono i fianchi della montagna e, a causa della condensazione dell’acqua alla sommità, il vento discendente è molto secco e relativamente caldo a causa della compressione adiabatica secca.
A seconda delle condizioni termodinamiche delle masse d’aria interessate, questo meccanismo può poi innescare altre pittoresche manifestazioni visibili nel versante sottovento. Si possono infatti formare onde stazionarie con nubi (dette a rotore, visibili in basso nella figura 1) in strisce regolari per molti chilometri oltre la fine dei rilievi.
Questi fenomeni accadono anche a grande scala, ove occorre però considerare anche altri fenomeni, come la forza di Coriolis. Grazie alla conservazione della vorticità potenziale, meccanismi di questo genere spiegano la formazione delle Onde di Rossby a scala planetaria, e quindi la presenza continua di cicloni ed anticicloni (come quelli dell’Islanda e delle Azzorre, rispettivamente)!
Se le masse d’aria che incontrano la montagna sono molto umide, questo meccanismo può portare alla formazione di nembi ed abbondanti precipitazioni sul versante sopravvento del rilievo, rendendo invece secco il versante opposto. Ciò si verifica ad esempio in Nuova Zelanda, ove la catena montuosa che costituisce l’isola del Sud intercetta le correnti umide provenienti da Ovest. Il sollevamento delle masse d’aria genera quindi abbondanti precipitazioni sulla costa Ovest, ornata da una foresta sub tropicale, lasciando molto più secca la costa Est.
Per conti e approfondimenti si possono consultare le dispense del corso di fisica dell’atmosfera dell’università la Sapienza: http://g24ux.phys.uniroma1.it/Didattica.htm (in particolare le sezioni Termodinamica e Microfisica).