La fisica delle contrail (1): persistenza

Nota: primo di una serie di post sulla fisica delle contrail (scie di condensazione).
Post aggiornato il 2015/9/30.

L’osservazione delle nubi è da sempre un’attività gratificante per chi ammira gli spettacoli della natura. Alla vasta letteratura saggistica sul tema si è aggiunto recentemente un bel libro di Gavin Pretor-Pinney “Cloudspotting. Una guida per i contemplatori di nuvole” tradotto in Italia da Guanda.

Sono quindi pressochè certo che almeno qualcuno dei miei venticinque lettori (cit.) abbia osservato e ammirato i cirri, quelle nubi di alta quota che l’Enciclopedia Italiana nel 1931 descriveva così:

I cirri sono nubi isolate, delicate, a tessitura fibrosa in forma di piuma, generalmente di colore bianco. Presentano le forme più variate: fiocchi isolati, fili netti o con sfumatura, ramificati, curvati, terminati in fiocchi; qualche volta si chiamano cirri a chioma. I cirro-strati formano un velo biancastro fino, talora diffuso e uniforme, cosicché si vede il cielo d’aspetto biancastro (cirro-nebula); altra volta si distingue più o meno nettamente la struttura fibrosa dei filamenti imbrogliati.
I cirri e i cirro-strati sono composti di minuti cristallini, che dànno spesso origine ad aloni (v.). Le altre nubi sono costituite da goccioline d’acqua e non dànno luogo ad aloni. I cirro-cumuli sono piccole palle o piccoli fiocchi, bianchi, senza ombre, o con ombre debolissime, disposti in gruppi e spesso in file (cielo a pecorelle).

Avrete sicuramente notato come i cirri permangano anche per ore, sfioccandosi in forme variegate specie in presenza di forte vento in quota. Ecco un bell’esempio da me fotografato recentemente a Milano, anche in versione instagram.

Cirri a Milano Forlanini

Ma di cosa son fatti i cirri? Lo aveva intuito Cartesio nel suo “Les Meteores” del 1637, è apparso chiaro con le osservazioni sperimentali di fine ‘800 – inizio ‘900 grazie ai palloni aerostatici: microscopici cristalli di ghiaccio (A. Wigand 1903). Già in precedenza si sapeva che la temperatura in quota è molto bassa (diminuisce con la quota di circa 0,7 C ogni 100m), sin dalle prime misurazioni scientifiche in alta montagna e dalle primissime ascensioni in mongolfiera del 1783 (Jacques Charles). Al confine della troposfera, intorno ai 12mila metri, si arriva ai -55 C e oltre.

Una interessante conseguenza di tale composizione cristallina sono gli aloni solari, attestati in forma scritta o iconografica da secoli, che si possono osservare in presenza di cirrostrati e che sono il risultato della rifrazione della luce solare a un angolo di 22 gradi caratteristico proprio del ghiaccio.

Fin qui tutto bene? Passiamo alle contrail.

Le scie di condensazione (note in inglese come “contrail”) generate dagli scarichi dei motori degli aerei in quota sono un fenomeno ben visibile praticamente quasi dalla nascita dell’aeronautica (la prima testimonianza pubblicata è del 1919).

Più recentemente tuttavia, le scie sono più probabilmente associate dagli osservatori casuali agli allarmismi alimentati da una pletora di siti “acchiappaclick” e personaggi complottisti di varia estrazione che spopolano online e sui social. Le contrail non permanenti, cioè quelle che dopo la loro emissione dall’aereo scompaiono dopo meno di un minuto e che quindi corrispondono a una lunghezza della scia in cielo abbastanza limitata (alla velocità di crociera di 800 km/h una scia che dura 30s è comunque lunga quasi 7km), sono di solito considerate “normali” anche da costoro. Se invece le contrail permangono per molti minuti anzi ore, essendo in grado di tracciare scie lunghe anche centinaia di chilometri e spesso ben visibili sulle foto satellitari, ciò per gli “sciachimisti” è una segnatura inconfondibile della natura anomala, quindi “chimica” di tali scie (a parte il fatto ovviamente che qualsiasi sostanza è “chimica”, compreso il pericolosissimo monossido di diidrogeno …).

Sono convinto che la principale causa della apparente plausibilità dell’ipotesi “sciachimista” associata alle scie persistenti sia proprio il nome che è stato assegnato a tali scie di “condensazione”. Il senso comune associa a questo termine la natura effimera della “condensa” che si forma nella vita comune al suolo quando il vapor acqueo (che è invisibile) incontra una superficie molto fredda passando dallo stato gassoso a quello liquido, appunto. Le goccioline naturalmente evaporano facilmente a temperatura ambiente nelle nostre latitudini temperate. Pensare che a volte nella letteratura tecnico-scientifica si parlava anche di “vapor trail”, ancora peggio … Ho avuto esperienza diretta di tale euristica nel corso di moltissime discussioni con persone anche non particolarmente inclini al complottismo a tutti i costi, laureati compresi.

In realtà, come abbiamo visto per i cirri, le contrail sono principalmente costituite da microscopici cristalli di ghiaccio a causa delle basse temperature alle quote elevate. Ma soprattutto, è importante chiarire in quali condizioni i microcristalli non sublimano rapidamente in vapor acqueo.

La risposta dipende dalle proprietà termodinamiche dell’acqua e delle sue trasformazioni di stato che sono studiate in dettaglio in forma moderna sin dalla nascita di tale scienza nell’800 (anzi, la termodinamica si è sviluppata proprio per comprendere meglio il funzionamento pratico delle macchine termiche a vapore che innescarono la prima rivoluzione industriale). Più precisamente, serve considerare l’equilibrio termodinamico di sistemi “bifase” acqua-vapore oppure ghiaccio-vapore.

A temperatura costante, esiste una “pressione di saturazione” del vapore alla quale le due fasi sono in equilibrio, nel senso che un pari numero di molecole passa dalla fase gassosa all’altra e viceversa. Se la “pressione parziale” (molto grossolanamente, la “quantità”) del vapor acqueo è inferiore a tale valore, le molecole del liquido (o del ghiaccio) che grazie all’agitazione termica si “liberano” passando alla fase gassosa sono in media di più delle molecole che viceversa condensano o sublimano, per cui al limite tutto il liquido (o il ghiaccio) scompare lasciando il solo vapor acqueo. Al contrario, se la pressione parziale del vapor acqueo è superiore a quella di saturazione (sovrasaturazione), le molecole tendono in media a lasciare la fase gassosa per condensare (o sublimare in ghiaccio).

Ora, il punto chiave è questo: le molecole d’acqua nel ghiaccio sono legate da una maggior energia rispetto alle molecole in fase liquida. Questo vuol dire che a parità di agitazione termica (temperatura) ci sono meno molecole che lasciano la fase solida (ghiaccio) per quella gassosa, rispetto alle molecole che lasciano la fase liquida. L’equilibrio viene quindi raggiunto quando ci sono meno molecole a disposizione in fase gassosa, cioè a una pressione parziale di vapor acqueo inferiore. In altre parole, la pressione di saturazione del vapor acqueo rispetto al ghiaccio è inferiore alla pressione di saturazione rispetto all’acqua. Il grafico completo di tale pressione di saturazione in funzione della temperatura è schematizzato nella figura seguente:

Un diagramma più quantitativo in scala semilogaritmica (mbar o hPa vs temperatura Celsius) è il seguente:

Si noti che alle basse temperature la quantità di vapor acqueo corrispondente alla pressione di saturazione è davvero molto piccola. Utilizzando la legge dei gas perfetti pV = nRT e il valore di 18 g/mole per l’acqua, mentre si hanno 600 g/m3 per il vapore al punto di ebollizione a pressione atmosferica, si scende a 5 g/m3 a 0 C e pressione di saturazione 600 Pa e addirittura a soli 0,12 g/m3 a -40 C e pressione di saturazione 13 Pa.

E’ utile considerare la pressione di saturazione del vapore rispetto al ghiaccio in termini relativi alla pressione di saturazione del vapore rispetto all’acqua. Questo perché in tal modo possiamo conoscere qual è l’umidità relativa (rispetto all’acqua liquida) che corrisponde appunto alla saturazione per il ghiaccio. Il diagramma seguente mostra proprio questa funzione, per cui ad esempio a -40 C il valore critico dell’umidità relativa che corrisponde a tale saturazione è circa del 67%.

ice_supersat

Ciò vuol dire che un cristallo di ghiaccio a quella temperatura non sublimerà se l’umidità atmosferica è superiore al 67%, viceversa per umidità inferiore tenderà a sublimare in vapor acqueo. Come si vede per temperature ancora più basse si scende a valori critici di umidità anche minori del 50%. A rigore, tali valori della pressione di saturazione andrebbero corretti al rialzo perchè microcristalli o goccioline non sono superfici piane ma curve (effetto Kelvin).

Tutto ciò è proprio quello che accade per i cirri e le contrail: persistono se l’umidità atmosferica è sufficiente in funzione della temperatura.

Ci si può chiedere quanto siano frequenti queste condizioni ad alta quota. Si sa, ad esempio, che la stratosfera (la regione di atmosfera sovrastante la vicina troposfera) è estremamente secca. Ebbene, le misure sperimentali dicono che in alta troposfera è relativamente facile trovare sufficiente umidità per avere condizioni di sovrasaturazione per il ghiaccio. L’articolo più antico che ho trovato è stato pubblicato nel 1945 sulla base di misure negli anni precedenti la guerra mondiale e spiega chiaramente nell’abstract proprio quanto detto sopra:

The humidities so obtained indicate that supersaturation with respect to ice is very frequently found in the upper troposphere.

Le ricerche più recenti hanno evidenziato l’esistenza in alta troposfera di regioni umide sovrasature per il ghiaccio chiamate ISSR (Ice SuperSaturated Regions), così estese che i normali voli di linea le incontrano per il 13,5% del tempo (campagna di misure MOZAIC a fine anni ’90).

Alla spiegazione in termini fisici si potrebbero naturalmente aggiungere osservazioni storiche attestate da foto d’epoca come già fatto da tanti siti, oppure riferirsi alle descrizioni pubblicate sulla letteratura scientifica datata dalla seconda guerra mondiale come ad esempio quella da me raccolta qui. Chiunque può effettuare una propria ricerca su Google Scholar su annate a scelta, ad esempio dal 1940 al 1994 (una data che gli sciachimisti ritengono fondamentale). Vale comunque la pena riportare almeno un paio di esempi di questa documentazione scientifica d’epoca:

WMO Atlante Internaz. Nubi 1975

WMO Atlante Internaz. Nubi 1975

Utile anche un video di Mick West che mostra la descrizione di contrail persistenti su testi e manuali di meteorologia di tutte le epoche.

Mentre la persistenza è relativamente facile da spiegare, tutt’altra faccenda è la spiegazione del meccanismo d’innesco delle contrail. A questo sarà dedicato un prossimo post della serie.

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3 pensieri su “La fisica delle contrail (1): persistenza

  1. Il solito eterno dibattito sulle scie chimiche mi piacerebbe ascoltare un confronto tra le parti ..non possiamo certo negare che il nostro cielo non sia inquinato ..dove vanno a finire le scie che lasciano gli aerei se non sulla terra..puo’smentire questo? Il resto e’tutto da verificare il dubbio rimane..terra e cielo pieni di veleni.

    • Elisena, io non capisco come si faccia a parlare di “eterno dibattito”. Dal punto di vista scientifico, sulla base delle migliori conoscenze disponibili, NON c’è dibattito. Io credo che tu non abbia letto attentamente questo post, altrimenti ti sarebbe chiaro che il principale argomento sciachimista si dissolve … come una scia non persistente in presenza di bassa umidità atmosferica 😉 Se provi a controllare ciò che spiego su un qualsiasi testo di fisica dell’atmosfera o di meteorologia vedrai che i tuoi dubbi si dissolveranno pure loro!

      Per quanto riguarda la questione dell’inquinamento, la combustione degli idrocarburi nei motori degli aeromobili è del tutto analoga a quel che avviene nei veicoli terrestri, la stragrande maggioranza dei prodotti di tale combustione consiste in anidride carbonica (emissioni climalteranti) e acqua. Poi certo, ci sono tracce di altre sostanze che contribuiscono all’inquinamento atmosferico in alta quota, la cosa però è una frazione dell’inquinamento da tali sostanze in bassa troposfera generato dal traffico veicolare, dal riscaldamento domestico e dalle altre attività antropiche.

  2. Pingback: Alcune risposte al VVdCCdcdA Sig. Ermanno Giorgi (sciachimismo all’Aquila) | ZettaYotta

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