Precipitazione

La differenza essenziale tra una particella di precipitazione e una particella di nuvola è di dimensioni. Una goccia di pioggia media ha una massa equivalente a circa un milione di goccioline di nuvola. A causa delle loro grandi dimensioni, le particelle di precipitazione hanno velocità di caduta significative e sono in grado di sopravvivere alla caduta dalla nuvola al suolo.

La transizione da una nuvola contenente solo goccioline di nuvola a una contenente una miscela di goccioline di nuvola e particelle di precipitazione comporta due fasi fondamentalmente diverse: la formazione di elementi di precipitazione incipiente direttamente dallo stato di vapore e la successiva crescita di questi elementi attraverso l’aggregazione e la collisione con goccioline di nuvola. Gli elementi iniziali di precipitazione possono essere cristalli di ghiaccio o goccioline di soluzione chimica.

Lo sviluppo della precipitazione attraverso la crescita di cristalli di ghiaccio dipende dal fatto che le goccioline di nuvola possono congelare spontaneamente a temperature inferiori a circa -40 °C. (La riduzione delle goccioline di nuvola a temperature inferiori al normale punto di congelamento è definita superraffreddamento). All’interno delle nuvole superraffreddate, i cristalli di ghiaccio possono formarsi attraverso la sublimazione del vapore acqueo su certe particelle di polvere atmosferica note come nuclei di sublimazione. Nelle nuvole naturali, i cristalli di ghiaccio si formano a temperature più fredde di circa -15 °C (+5 °F). La temperatura esatta di formazione dei cristalli di ghiaccio dipende in gran parte dalla natura fisico-chimica del nucleo di sublimazione.

Una volta che i cristalli di ghiaccio si sono formati all’interno di una nube super raffreddata, continuano a crescere finché la loro temperatura è più fredda del congelamento. I tassi di crescita dipendono principalmente dalla temperatura e dal grado di saturazione del vapore dell’aria ambiente. I cristalli crescono a spese delle goccioline d’acqua. In condizioni favorevoli – per esempio, in una grande nube cumuliforme in rapida crescita – un cristallo di ghiaccio crescerà fino a una dimensione di circa 0,13 millimetri (0,005 pollici) in tre-cinque minuti dopo la formazione. A questa dimensione, il tasso di crescita attraverso la sublimazione rallenta, e l’ulteriore crescita è in gran parte attraverso l’aggregazione e la collisione con le goccioline di nuvola.

Piccole gocce di soluzione sono importanti anche come particelle di precipitazione incipiente. L’atmosfera contiene molte piccole particelle di sostanze chimiche solubili. Le due più comuni sono il cloruro di sodio spazzato via dagli oceani e i composti contenenti solfato formati attraverso reazioni gassose nell’atmosfera. Tali particelle, chiamate nuclei di condensazione, raccolgono acqua a causa della loro natura igroscopica e, ad un’umidità relativa superiore all’80% circa, esistono come goccioline di soluzione. Nelle masse d’aria tropicali marittime, il numero di nuclei di condensazione è spesso molto grande. Le nuvole che si formano in tale aria possono sviluppare un certo numero di grandi goccioline di soluzione molto prima che le cime delle nuvole raggiungano temperature favorevoli alla formazione di cristalli di ghiaccio.

A prescindere dal fatto che la particella di precipitazione iniziale sia un cristallo di ghiaccio o una gocciolina formata su un nucleo di condensazione, il grosso della crescita della particella di precipitazione avviene attraverso i meccanismi di collisione e coalescenza. A causa delle loro dimensioni maggiori, gli incipienti elementi di precipitazione cadono più velocemente delle goccioline di nuvola. Di conseguenza, si scontrano con le goccioline che si trovano nel loro percorso di caduta. Il tasso di crescita di una particella di precipitazione attraverso la collisione e la coalescenza è governato dalle dimensioni relative della particella e delle goccioline di nuvola nel percorso di caduta che sono effettivamente colpite dalla particella di precipitazione e dalla frazione di queste goccioline che effettivamente si fondono con la particella dopo la collisione.