Perché le nuvole hanno la base piatta, mentre la testa ha la forma di un cavolfiore?

Osservando una nuvola, soprattutto se sopra il mare, capita spesso di notare una curiosa differenza tra la sua base e la sua parte superiore.

La base appare quasi piatta, come se fosse stata tagliata con un righello, mentre la sommità è gonfia, frastagliata e irregolare: ricorda la forma di un cavolfiore.
Questa forma non è casuale, ma nasce da semplici fenomeni fisici legati al calore, all’umidità e al movimento dell’aria.

La fisica di spiega che l’aria calda e umida tende infatti a salire, raffreddandosi man mano che raggiunge quote più alte. Quando il vapore acqueo condensa, la nube diventa visibile e comincia ad assumere la sua forma caratteristica.

Una bolla invisibile che sale dal mare

Consideriamo una bolla gigante di aria, calda e umida, che si sia formata sopra la superficie del mare. Questa bolla non è da intendere come una bolla di sapone dai contorni ben definiti, ma come una massa di aria calda dai contorni più sfumati e irregolari. Poiché la superficie marina è in continua evaporazione di queste bolle se ne formano continuamente, anche se invisibili ai nostri occhi.

Essendo questa bolla d’aria più calda rispetto all’aria circostante tende ad espandersi occupando un volume maggiore. La bolla espansa ha una minore densità, contenendo sempre la stessa quantità di aria e umidità ma in un volume maggiore.

Questo comporta che essa riceva dal basso verso l’alto una spinta ascensionale, la spinta di Archimede, che la fa salire su in quota. Da qui nasce il principio fondamentale: l’aria calda tende a salire, mentre quella fredda, più densa, tende a scendere

Il punto di rugiada e la base piatta della nuvola

Mentre la bolla d’aria sale, continua a espandersi e a raffreddarsi. A una certa quota la temperatura diventa abbastanza bassa da permettere al vapore acqueo di condensare in minuscole goccioline. È a questo punto che la massa d’aria, prima invisibile, diventa visibile sotto forma di nuvola. Questa quota viene chiamata "punto di rugiada" e corrisponde alla base della nuvola.

Il National Weather Service definisce questa quota come “la base della nuvola”.

Questo stesso fenomeno non è limitato alla sola superficie marina, ma anche alla terraferma. La differenza è che mentre la prima è piatta, la seconda presenta generalmente irregolarità, colline, montagne, valli, pendenze, …

Sopra il mare, dove gli strati d’aria possono essere immaginati come relativamente piani, la condensazione avviene più o meno in uno stesso strato piano e quindi alla stessa altezza: per questo la base della nube appare piatta.

La sommità irregolare: turbolenza, condensazione e differenze tra mare e terraferma

La formazione della nuvola non si ferma alla sua base. Quando il vapore acqueo condensa libera calore (calore latente di condensazione), che favorisce ulteriori moti ascensionali all’interno della nube. Questi movimenti non sono ordinati, ma turbolenti: in alcune zone l’aria calda e umida sale di più, in altre di meno. Per questo la parte superiore della nuvola assume un aspetto irregolare, frastagliato, simile a quello di un cavolfiore.

Della formazione all’interno della nuvola di questi moti turbolenti ascensionali (dovuti al fenomeno fisico della condensazione del vapor acqueo) abbiamo esperienza quando, ad esempio, in aereo entriamo dentro una nube. Durante il suo attraversamento si percepisce, ahimè, molto chiaramente la turbolenza dell'aria che fa sobbalzare l'aereo.

Lo stesso fenomeno di formazione delle nuvole avviene anche sopra la terraferma, ma colline, valli e rilievi rendono meno uniforme la quota alla quale inizia la condensazione; perciò anche la base delle nuvole sopra la terraferma può risultare più irregolare rispetto a quella che si forma sopra il mare.