Le nuvole sembrano qualcosa di lontano e gigantesco, sospeso a centinaia o migliaia di metri sopra di noi.

Eppure il processo fisico che permette loro di formarsi può essere osservato anche su una scala molto più piccola.

Con una semplice bottiglia trasparente possiamo infatti creare una piccola nube artificiale e vedere con i nostri occhi cosa succede quando aria umida si raffredda fino a favorire la condensazione del vapore acqueo.

Non costruiremo naturalmente una vera nube atmosferica completa, ma riprodurremo alcuni dei meccanismi fondamentali che partecipano alla formazione delle nuvole reali.

È un esperimento semplice, molto visivo e soprattutto utile per capire che una nube non è fatta di “vapore” nel senso comune del termine.

Quello che vediamo sono minuscole goccioline d’acqua sospese nell’aria.

Cosa ci serve

• una bottiglia trasparente di plastica con tappo, preferibilmente morbida e facilmente comprimibile;
• una piccola quantità di acqua calda, ma non bollente;
• un fiammifero;
• un adulto se l’esperimento viene svolto da bambini o ragazzi.

La bottiglia deve essere di plastica perché durante l’esperimento dovremo comprimerla con le mani.

Non serve riempirla: basta una piccola quantità d’acqua sul fondo.

Prepariamo l’esperimento

Prima di provare a creare la nube dobbiamo preparare all’interno della bottiglia le condizioni necessarie.

Servono principalmente tre elementi: aria umida, particelle sulle quali possa avvenire la condensazione e una variazione di pressione abbastanza rapida da produrre un raffreddamento dell’aria.

Fase 1 — Versiamo l’acqua calda

Versiamo nella bottiglia una piccola quantità di acqua calda.

Non deve essere bollente: è sufficiente che sia abbastanza calda da favorire l’evaporazione.

È importante lasciare gran parte della bottiglia piena d’aria. L’acqua deve rimanere soltanto sul fondo.

Fase 2 — Rendiamo umida l’aria nella bottiglia

Chiudiamo temporaneamente la bottiglia e muoviamola delicatamente in modo che l’acqua bagni parte delle pareti interne.

Lasciamola quindi riposare per qualche istante.

Una parte dell’acqua evapora e aumenta la quantità di vapore acqueo presente nell’aria contenuta nella bottiglia.

Abbiamo così creato la prima condizione importante:

aria sufficientemente umida.

Fase 3 — Prepariamo i nuclei di condensazione

Nell’atmosfera reale le goccioline delle nuvole raramente compaiono dal nulla.

Il vapore acqueo trova più facilmente una superficie sulla quale condensare grazie alla presenza di minuscole particelle sospese nell’aria.

Possono essere particelle di polvere, sale marino, aerosol naturali o altre impurità microscopiche.

Queste particelle vengono chiamate nuclei di condensazione.

Per rendere il fenomeno molto più evidente all’interno della bottiglia possiamo utilizzare una piccolissima quantità di fumo.

Accendiamo quindi un fiammifero, lasciamolo bruciare per pochi secondi e poi spegniamolo.

Introduciamo rapidamente nella bottiglia soltanto una piccola quantità del fumo prodotto, senza lasciare il fiammifero all’interno.

Questa fase deve essere eseguita da un adulto e lontano da materiali infiammabili.

Fase 4 — Chiudiamo subito la bottiglia

Dopo aver introdotto il fumo chiudiamo immediatamente il tappo.

Adesso all’interno abbiamo acqua sul fondo, aria molto umida e una piccola quantità di particelle sulle quali il vapore potrà condensare.

La bottiglia è pronta per la parte vera e propria dell’esperimento.

Creiamo la nuvola

Fase 5 — Comprimiamo la bottiglia

Stringiamo con forza la bottiglia con entrambe le mani.

Comprimendo la plastica riduciamo lo spazio disponibile per l’aria interna e aumentiamo la pressione.

Manteniamo la bottiglia compressa per qualche secondo.

In questa fase potremmo non vedere ancora nulla di particolare.

Ed è proprio quello che ci aspettiamo.

Fase 6 — Rilasciamo la bottiglia

Ora lasciamo rapidamente la presa.

La bottiglia torna alla sua forma originale e l’aria contenuta al suo interno può espandersi.

Ed è qui che avviene la parte più interessante dell’esperimento.

Durante l’espansione l’aria si raffredda.

Se l’umidità è abbastanza elevata, una parte del vapore acqueo non riesce più a rimanere completamente allo stato gassoso.

Il vapore condensa intorno alle minuscole particelle presenti nell’aria.

All’improvviso dovrebbe comparire nella bottiglia una foschia biancastra.

Abbiamo creato la nostra piccola nuvola.

Fase 7 — Facciamola sparire e ricomparire

La parte più interessante è che possiamo ripetere il fenomeno diverse volte senza riaprire la bottiglia.

Stringiamola nuovamente.

La nube tende a diminuire o a scomparire.

Rilasciamola.

La nube ricompare.

Possiamo quindi osservare direttamente una sequenza molto importante:

compressione → nube meno visibile

espansione → raffreddamento → condensazione → nube visibile

Che cosa abbiamo osservato?

Durante l’esperimento non abbiamo aggiunto acqua nel momento in cui è comparsa la nube.

L’acqua era già presente nell’aria sotto forma di vapore invisibile.

Quello che abbiamo modificato è stato soprattutto lo stato dell’aria all’interno della bottiglia.

Quando l’abbiamo lasciata espandere, la sua temperatura è diminuita e una parte del vapore acqueo è condensata.

La nube diventa visibile proprio perché si formano moltissime minuscole goccioline d’acqua sospese.

Perché l’aria si raffredda quando si espande?

Questo è il cuore fisico dell’esperimento.

Quando una massa d’aria si espande compie lavoro sull’ambiente circostante.

Una parte della sua energia interna viene utilizzata durante questa espansione e la temperatura dell’aria diminuisce.

In meteorologia questo processo è fondamentale.

Quando una massa d’aria sale nell’atmosfera incontra generalmente pressioni sempre più basse.

L’aria si espande e, espandendosi, si raffredda.

Questo raffreddamento viene chiamato raffreddamento adiabatico quando avviene senza uno scambio significativo di calore con l’ambiente circostante.

La nostra bottiglia non riproduce perfettamente tutte le condizioni atmosferiche, ma permette di osservare chiaramente lo stesso principio generale.

Il ruolo del punto di rugiada

Finché l’aria riesce a contenere il proprio vapore acqueo, non compare nessuna nube.

Ma raffreddando l’aria arriva un momento nel quale essa si avvicina alla saturazione.

La temperatura alla quale l’aria raggiunge questa condizione è legata al punto di rugiada.

Quando temperatura e punto di rugiada si avvicinano sufficientemente, l’umidità relativa cresce verso il 100% e la condensazione diventa molto più facile.

Nella bottiglia abbiamo favorito questo processo in due modi:

• abbiamo aumentato la quantità di vapore acqueo usando acqua calda;
• abbiamo raffreddato rapidamente l’aria facendola espandere.

Quando le condizioni diventano favorevoli, compare la nube.

La nube non è vapore acqueo visibile

Questo esperimento aiuta anche a correggere un equivoco molto comune.

Il vapore acqueo è invisibile.

Quando vediamo la nuvola bianca nella bottiglia non stiamo osservando direttamente il vapore.

Stiamo osservando una quantità enorme di minuscole goccioline di acqua liquida che diffondono la luce e diventano visibili.

Lo stesso principio vale per molte nuvole atmosferiche.

L’acqua può trovarsi anche sotto forma di piccoli cristalli di ghiaccio, soprattutto alle quote più elevate e alle temperature più basse, ma ciò che rende visibile una nube sono particelle liquide o solide sospese nell’atmosfera.

Perché abbiamo utilizzato il fumo?

Possiamo provare l’esperimento anche senza introdurre fumo.

In alcuni casi potrebbe comparire comunque una leggera condensazione, perché nell’aria e nella bottiglia sono già presenti microscopiche impurità.

Generalmente, però, il risultato diventa molto più evidente quando esiste una maggiore quantità di particelle sulle quali l’acqua può condensare.

Il fumo del fiammifero fornisce proprio questi piccoli nuclei.

Nell’atmosfera reale il processo è molto più complesso e i nuclei di condensazione possono avere origini molto diverse.

Tra le sorgenti naturali possiamo trovare, per esempio:

• sale marino trasportato dal vento;
• polvere;
• particelle provenienti dal suolo;
• aerosol prodotti dalla vegetazione;
• materiale derivato da incendi ed eruzioni vulcaniche.

Esistono naturalmente anche particelle prodotte dalle attività umane.

Dalla bottiglia all’atmosfera

Ora proviamo a immaginare lo stesso processo su una scala enormemente più grande.

Una massa d’aria contiene vapore acqueo.

Per qualche motivo viene costretta a salire.

Salendo incontra pressioni inferiori.

Si espande.

Si raffredda.

L’umidità relativa aumenta.

Se il raffreddamento è sufficiente, l’aria raggiunge la saturazione.

Il vapore acqueo inizia a condensare intorno ai nuclei disponibili.

Compaiono miliardi di minuscole goccioline.

Nasce una nube.

Ma cosa fa salire l’aria?

Nella bottiglia siamo noi a modificare la pressione con le mani.

Nell’atmosfera esistono invece diversi meccanismi capaci di sollevare una massa d’aria.

Convezione

Il Sole riscalda il terreno e il terreno riscalda l’aria vicina alla superficie.

Se questa aria diventa più calda e meno densa rispetto all’ambiente circostante può iniziare a salire.

È uno dei meccanismi fondamentali nello sviluppo delle nubi convettive e, quando le condizioni sono favorevoli, dei temporali.

Orografia

Una massa d’aria può essere costretta a salire quando incontra una montagna o una catena montuosa.

Durante la salita si raffredda e può raggiungere la saturazione, favorendo la formazione di nubi sul versante esposto al flusso.

Questo processo è particolarmente interessante anche nei territori appenninici.

Fronti meteorologici

Quando masse d’aria con caratteristiche differenti si incontrano, una può essere costretta a scorrere sopra l’altra.

Il sollevamento associato ai sistemi frontali può interessare aree molto vaste e produrre estese formazioni nuvolose e precipitazioni.

Una nuvola non significa automaticamente pioggia

Nel nostro esperimento basta osservare la nube all’interno della bottiglia.

Nell’atmosfera, invece, la storia può continuare.

Le minuscole goccioline che formano una nube sono inizialmente troppo piccole per cadere al suolo come pioggia.

Devono avvenire altri processi che permettono alle particelle d’acqua o ai cristalli di crescere.

Solo quando diventano abbastanza grandi da non poter più essere sostenuti dai moti dell’aria possono iniziare a precipitare.

Per questo un cielo pieno di nuvole non significa necessariamente che pioverà.

Proviamo a osservare meglio

Possiamo trasformare la prova in un piccolo laboratorio ripetendo l’esperimento e modificando una sola condizione alla volta.

Prima di ogni prova annotiamo ciò che pensiamo possa succedere e poi confrontiamo l’ipotesi con il risultato reale.

Possiamo chiederci, per esempio:

• quanto velocemente compare la nube dopo aver rilasciato la bottiglia?
• quanto cambia il risultato usando acqua più o meno calda?
• cosa succede provando senza introdurre il fumo?
• quanto velocemente scompare la nube comprimendo nuovamente la bottiglia?
• dopo molte ripetizioni il comportamento rimane identico?

Non stiamo cercando misure da laboratorio professionale.

Lo scopo è imparare a cambiare una variabile, osservare il risultato e provare a interpretarlo.

Attenzione alla sicurezza

L’esperimento è semplice, ma alcune precauzioni sono importanti.

• utilizzare esclusivamente una bottiglia di plastica adatta a essere compressa;
• non utilizzare acqua bollente;
• non utilizzare contenitori di vetro;
• il fiammifero deve essere gestito esclusivamente da un adulto;
• non inserire il fiammifero acceso nella bottiglia;
• eseguire la prova lontano da materiali infiammabili;
• non inalare intenzionalmente il contenuto della bottiglia;
• al termine dell’esperimento aprire e lasciare arieggiare il contenitore in un luogo ventilato.

Non serve produrre molto fumo: ne basta una quantità minima per rendere evidente il fenomeno.

Un piccolo laboratorio di meteorologia

Questo semplice esperimento racchiude diversi concetti fondamentali della meteorologia.

Abbiamo visto il ruolo del vapore acqueo.

Abbiamo modificato la pressione.

Abbiamo osservato il raffreddamento dovuto all’espansione.

Abbiamo avvicinato l’aria alla saturazione.

Abbiamo fornito nuclei di condensazione.

E alla fine abbiamo osservato la comparsa di minuscole goccioline sospese.

Ovviamente una bottiglia non può riprodurre tutta la complessità dell’atmosfera.

Una vera nube può estendersi per chilometri, essere attraversata da forti correnti verticali, contenere acqua sopraffusa, cristalli di ghiaccio e svilupparsi in condizioni di pressione e temperatura molto differenti.

Ma il principio che abbiamo osservato resta uno dei più importanti:

quando aria sufficientemente umida si raffredda fino alla saturazione, il vapore acqueo può condensare e diventare visibile sotto forma di minuscole goccioline.

Una nuvola tra le mani

Guardando una nube nel cielo è difficile rendersi conto di quanto siano importanti processi apparentemente invisibili come pressione, temperatura e umidità.

Con questo esperimento possiamo invece osservare la trasformazione davanti ai nostri occhi.

Prima vediamo soltanto aria trasparente.

Poi la lasciamo espandere.

La temperatura diminuisce.

Il vapore condensa.

E improvvisamente compare una piccola nube.

La stessa fisica che contribuisce a disegnare le nuvole sopra le nostre teste può essere osservata, in miniatura, dentro una semplice bottiglia.