6.- Il ciclo dell`acqua

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6.- Il ciclo dell’acqua
Ad un certo punto, alcuni miliardi di anni fa, quando la terra raffreddandosi permise al vapore
acqueo presente nell’atmosfera di condensare, per la prima volta si formarono le nuvole e caddero
le prime piogge. Da quel momento iniziò il “ciclo dell’acqua” che continua tuttora,
incessantemente. L’acqua, sotto forma di vapore lascia la superficie terrestre e viene convogliata
nell’atmosfera per poi ricadere di nuovo sulla terra sotto forma di precipitazioni.
Nello stesso modo in cui il sistema circolatorio ci mantiene in vita distribuendo il sangue in tutto il
corpo, questo processo di evaporazione e di condensazione fornisce e distribuisce l’acqua su tutta la
terra permettendo il mantenimento della vita su di essa.
L’acqua entra in circolazione per evaporazione dalla superficie essenzialmente dei mari e degli
oceani, dalla superficie terrestre o per traspirazione dei vegetali. Una volta raggiunta l’alta
atmosfera, il raffreddamento dell’aria nella quale si trova sotto forma di vapore, provoca la
condensazione dell’umidità presente che, sotto forma di gocce d’acqua o di cristalli di ghiaccio
ricade sulla terra sotto forma di pioggia o come neve.
Una volta raggiunta la superficie terrestre, l’acqua può evaporare di nuovo rapidamente, può venire
assorbita nei primi strati del terreno e rimanervi intrappolata per anni o ritornare rapidamente al
mare come acqua superficiale attraverso i fiumi.
Per meglio comprendere i fenomeni di cui stiamo parlando, nella tabella seguente riportiamo la
distribuzione dell’acqua sulla superficie terrestre:
Oceani
Rocce e sedimenti
Ghiacciai
Acque di falda
Acque superficiali (fiumi, laghi, atmosfera)
79.8%
18.6%
1.17%
0.42%
0.003%
Da un’analisi della tabella riportata sopra si può notare che solo una piccola parte dell’acqua
presente sulla crosta terrestre partecipa al ciclo idrogeologico perchè, la maggior parte rimane, per
tempi lunghissimi, intrappolata nella profondità degli oceani, nelle rocce e nei sedimenti, nei
ghiacciai e nelle falde acquifere.
Conseguentemente, l’acqua coinvolta in questo ciclo è soltanto quella superficiale degli oceani,
della superficie terrestre e
dell’atmosfera.
Il ciclo dell’acqua può essere
interpretato come una grande
pompa di calore la cui
energia viene fornita dal sole.
Il processo di evaporazione
utilizza
circa
il
23%
dell’energia derivante dalla
radiazione solare che investe
la superficie terrestre.
L’oceano e i continenti
forniscono
rispettivamente
circa l’86% e il 14% della
quantità di acqua immessa
nell’atmosfera sotto forma di
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vapore.
Quest’ultimo, per condensazione, ricade sulla superficie terrestre sotto forma di pioggia o neve.
La media annuale delle piogge che cadono sulla superficie terrestre è di 70 cm. Naturalmente, le
precipitazioni non sono equamente distribuite intorno al globo ma, in funzione di alcune
caratteristiche orografiche della superficie terrestre o della direzione prevalente dei venti, risultano
scarse o abbondanti come in linea di massima viene indicato dalla sottostante tabella.
Aree tipiche terrestri
Deserti
Savane / steppe
Foreste asciutte
Foreste pluviali
Precipitazioni medie
(cm/anno)
0 → 25
25 → 40
40 → 125
superiore a 125
In forma di vapore, il tempo medio di residenza dell’acqua nell’atmosfera prima di tornare sulla
terra come pioggia, è di circa 10 giorni .
Per meglio comprendere l’intero processo si può utilizzare come riferimento un esempio molto
casalingo: una pentola con coperchio contenente un bicchiere d’acqua posta a bollire su un fornello
acceso.
La fiamma del fornello (il sole) fornisce l’energia alla pompa di calore che permette il ciclo
dell’acqua. L’acqua raggiunge il punto di ebollizione e inizia a rilasciare vapore nello spazio d’aria
superficiale (atmosfera). Quando arriva in quota raggiunge il coperchio più freddo (correnti fredde
in quota), l’acqua cede il calore al coperchio ritornando in forma liquida e tornando sotto forma di
acqua condensata sul fondo della pentola (il vapore cede calore di condensazione all’atmosfera e
ricade sotto forma di pioggia sulla superficie terrestre).
Introdotti questi concetti, è necessario chiarire il significato di alcune definizioni che ci aiuteranno a
comprendere meglio i fenomeni che verranno spiegati nelle pagine seguenti.
6.1.- Umidità assoluta.
E’ costituita dalla massa d’acqua sotto forma di vapore presente in una unità di volume di
atmosfera.
In genere questo valore viene misurato in grammi di acqua per metro cubo di aria.
6.2.- Umidità relativa.
E’ il rapporto tra la quantità di vapore d’acqua presente in una determinata frazione dell’atmosfera e
la quantità massima dello stesso vapore d’acqua che potrebbe esservi contenuto ad una determinata
temperatura.
Entrambe questi parametri vengono largamente influenzati dalla temperatura della massa d’aria
presa in considerazione. L’aria fredda è in grado di contenere meno vapore dell’aria calda; questo
influenza l’umidità assoluta. Mentre la diminuzione o l’aumento di temperatura farà rispettivamente
aumentare o diminuire l’umidità relativa dell’aria presa in considerazione.
Il sistema più semplice per misurare l’umidità relativa è l’uso del termometro a bulbo umido. Per
fare questa misurazione è sufficiente avere due termometri tarati tra loro, cioè che misurano la
stessa temperatura almeno nell’intervallo che va da 0 a 50 °C.
Uno dei termometri viene lasciato con il bulbo del mercurio libero nell’aria; il bulbo dell’altro
termometro viene avvolto in una sottile garza che, penzolando tocca la superficie di una vaschetta
sottostante contenente poca acqua. L’acqua della vaschetta, per capillarità, salirà lungo la garza
mantenendo umido il bulbo del termometro e da questa garza evaporerà liberando umidità
nell’ambiente. L’acqua, evaporando assorbirà il calore raffreddando il termometro di conseguenza,
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indicherà una temperatura più bassa del suo gemello a bulbo asciutto. Se l’atmosfera è satura di
umidità, la possibilità di evaporazione dell’acqua sulla garza sarà molto bassa e, necessitando di
meno calore per la scarsa evaporazione, la differenza di temperatura tra i due termometri sarà
minima. Se invece l’umidità relativa è molto bassa, una grande quantità di acqua tenderà ad
evaporare dalla garza assorbendo grandi quantità di calore aumentando sensibilmente la differenza
di temperatura tra i due termometri.
Nella tavola riportata di seguito viene indicata l’umidità relativa dell’aria in funzione della
differenza di temperatura tra il termometro a bulbo secco e a bulbo umido espressa in gradi
centigradi.
6.3.- Calore latente di evaporazione
Viene definito calore latente di evaporazione la quantità di calore necessaria per trasformare una
certa quantità di liquido in vapore a temperatura costante; nel nostro caso l’acqua in vapore acqueo.
Tale energia viene misurata in joule per grammo di acqua evaporata.
Un semplice esercizio per verificare questo fenomeno si può fare utilizzando un asciuga capelli.
Selezionando solo la ventilazione senza il riscaldamento indirizzare il flusso dell’aria su una mano
precedentemente bagnata con acqua a temperatura ambiente. Il flusso d’aria tenderà a fare
evaporare il sottile velo di liquido presente sulla pelle. Questi per evaporare dovrà assorbire calore
dall’ambiente circostante provocando, di conseguenza, una sensazione di freddo alla mano.
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6.4.- Calore latente di condensazione.
Il calore latente di condensazione è costituito dal calore che viene ceduto dal vapore che condensa
per trasformarsi in acqua o ghiaccio sempre a temperatura costante.
Anche questa energia viene misurata in joule per grammi di acqua condensata.
Per riportare un esempio facilmente comprensibile, il calore latente di condensazione è il calore che
viene ceduto al coperchio della pentola dal vapore durante la fase di condensazione e ricaduta
dell’acqua sul fondo.
L’umidità relativa, l’umidità assoluta e l’energia di cui abbiamo appena scritto sono parte
fondamentale dei processi che regolano il ciclo dell’acqua.
6.5.- Esempi per comprendere le terminologie citate
6.5.1.- Umidità relativa e umidità assoluta
Nella tabella è indicato il volume in ml di acqua sospesa in un metro cubo di aria
all'umidità relativa e temperature indicate.
Temperatura
aria (°C)
10°C
20°C
30°C
Umidità relativa
20%
1.8 ml
3.5 ml
6.2 ml
50%
4.6 ml
8.5 ml
16.0 ml
70%
6.4 ml
12.4 ml
22.4 ml
90%
7.9 ml
15.6 ml
29.0 ml
100%
9.0 ml
17.6 ml
32.8 ml
Riportando visivamente i numeri descritti in tabella possiamo ottenere un profilo delle quantità di
acqua presenti in un m3 di aria come riportato in figura. Per dare un ordine di grandezza della reale
quantità di acqua presente in ogni contenitore, ne cito le misure: altezza 10 cm, diametro di 2.5 cm.
L'acqua nel contenitore è equivalente all'umidità assoluta alle condizioni citate.
Volendo dare un'idea del significato dei
numeri riportati in tabella, si può calcolare
quanta acqua è sospesa come vapore
acqueo nel nostro soggiorno alle diverse
condizioni (umidità assoluta).
Supponiamo di avere un soggiorno di 5 x 4
metri e un'altezza dal pavimento al soffitto
di 3 metri per un totale di 60 metri cubi
d'aria contenuti nella stanza.
• Siamo in inverno, i termosifoni sono
accesi, la temperatura è di 20 °C e
l'umidità relativa che segna il
barometro appeso alla parete è del
50%. Potremmo definire il clima come
secco e qualcuno potrebbe mettere i
recipienti umidificatori con l'acqua sui
termosifoni.
Controllando sulla tabella riportata
sopra, possiamo verificare che alle
condizioni citate, il contenuto di
vapore per metro cubo di aria è di 8.5
ml che, moltiplicati per 60 metri cubi,
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•
danno un contenuto totale di acqua sotto forma di vapore presente nel nostro soggiorno pari a
510 ml (poco più di mezzo litro).
Siamo in estate, ci sono 30 °C e un'umidità insopportabile che rende difficile la vita nel nostro
soggiorno. Il barometro appeso alla parete segna il 90% di umidità relativa.
Controllando la solita tabella, possiamo verificare che a 30°C e al 90% di umidità relativa
corrispondono ben 29 ml di acqua sotto forma di vapore per ogni metro cubo di aria presente
nella stanza. Facendo il solito calcolo per i 60 metri cubi totali di aria presente nella stanza,
scopriamo che la quantità totale di acqua che ci volteggia intorno è pari a quasi 1 litro e 750 ml.
Oltre 3 volte in più dell'esempio precedente.
6.5.2- Calore latente di evaporazione e calore latente di condensazione.
Citiamo il caso della pentola piena d'acqua sul fornello. Fornendo calore con continuità, dopo
qualche minuto, l'acqua presente raggiunge il punto di ebollizione equivalente a 100 °C.
Se continuiamo a fornire energia, l'acqua continuerà a bollire ma non supererà i 100 °C perché tutta
l'energia fornita in eccesso viene dispersa dall'acqua che evapora. Evaporando questa assorbe il
calore latente di evaporazione; accumula energia.
Se poniamo un coperchio sulla pentola che bolle, dopo qualche istante diventa bollente. Il vapore
che aveva accumulato energia la cede al coperchio condensando nuovamente in acqua.
Condensando, libera l'energia accumulata in precedenza. Questa energia viene definita calore
latente di condensazione.
Nell'ultimo ventennio, in Italia abbiamo avuto ben 4 situazioni in cui i fenomeni legati al calore
latente di evaporazione e al calore latente di condensazione, funzionanti come pompa di calore per
trasferire energia dal mare allo spazio esterno al pianeta sotto forma di irraggiamento, hanno
provocato danni gravissimi.
I casi sono i seguenti:
• Alluvione in Valtellina, 1985
• Alluvione nell'Alessandrino, 1994
• Alluvione di Serravezza , 1996
• Alluvione in Val d'Aosta, 2000
Alluvione 1996
In tutti questi casi, un mare
eccessivamente
caldo
ha Seravezza e Stazzema
trasferito all'atmosfera una (Provincia di Lucca)
quantità
considerevole
di
energia sotto forma di vapore.
Incanalandosi in valli ristrette,
quest'aria è stata costretta ad
innalzarsi
e,
l'umidità
condensando in pioggia, ha
ceduto calore all'atmosfera che,
per irraggiamento l'ha trasferito
nello spazio. Avremo modo, di
seguito di approfondire questo
fenomeno.
un intenso sistema di precipitazione
convettiva di tipo supercella
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