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Giovanni Badino
Dipartimento di Fisica Generale, Università di Torino. Italia Associazione La Venta
Anno 4 .n 7 -Giugno 2004
Riassunto
Vengono analizzati processi che in ambienti sotterranei possono creare situazioni di sovrasaturazione dell'umidità dell'aria. In particolare viene considerato il ruolo della dipendenza della pressione di vapore di equilibrio dal raggio di curvatura degli aerosol, i processi di risalita delle masse d'aria, le espansioni che seguono al superamento di zone strette e la formazione di sovrasaturazione a causa della miscela di correnti d'aria umida a diversa temperatura. Vengono stimati quantitativamente i livelli di scostamento dall' equilibrio, in genere dell' ordine dello 0.0 1 % o inferiori.
Tutti questi processi portano alla formazione di nubi sotterranee che, a causa della ristrettezza degli ambienti, sono visibili solo in casi particolari, ma che possono avere un ruolo importante nella speleogenesi.
Parole chiave: sovrasaturazione dell'aria, speleogenesi, nuvole sotterranee, nuvole da miscela, aerosol da cascata.
Introduzione
Il termine meteorologia indica lo studio delle meteore cioè di eventi transienti nell' atmosfera. Lo studio delle condizioni ambientali nelle grotte è invece più propriamente climatologico, dato che si tratta di ambienti stabili di cui si studiano gli andamenti medi. In questo articolo, invece, si intende studiare effetti transienti sotterranei,associati con oscillazioni dell'umidità dell'aria attorno al valore di equilibrio.
Le grotte sono ambienti quasi chiusi nei quali l'aria rimane a contatto con superfici libere di acqua. Come regola generale essa è dunque satura di umidità.
È importante precisare in modo sommario alcuni punti significativi per il ruolo che possono avere nella speleogenesi e nella purificazione dell'aria di grotta e chiarire i livelli di sovrasaturazione che si possono incontrare sottoterra.
Questo processo speleogenetico è già stato delineato in una precedente pubblicazione (BADINO, 1995), ma si ritiene ora opportuno richiamare l'attenzione su di esso, aggiungendone dettagli che sono stati messi a punto per la riedizione di questo lavoro.
Nei grandi sistemi carsici capita spesso di incontrare grandi pozzi o gallerie (soprattutto freatiche) percorse da un drenaggio ridotto; a giustificarne la formazione si invocano spesso mitici periodi passati in cui il regime idrico era ben maggiore dell'attuale. Pur riconoscendo che in passato ci sono state amplissime variazioni climatiche e che inoltre le grotte che conosciamo agiscono spesso come sorta di termometri di massima che conservano traccia del segnale di ampiezza massima dato che si formano soprattutto nei periodi di massimo apporto idrico, è probabile che in molti casi questa spiegazione sia falsa. In realtà esistono altri meccanismi profondi di corrosione delle pareti, assai poco legati all'apporto idrico, e basati soprattutto su cicli di condensazione ed evaporazione controllati dai flussi d'aria, come già intravisto in passao (TROMBE, 1952).
UMIDITÀ E PRESSIONE DI EQUILIBRIO
1)La tensione di vapore saturo
Si incontra sovente il termine tensione di vapore saturo per indicare la pressione di vapore di equilibrio al di sopra della superficie di un fluido, ma è una forma da abbandonare. Vediamo di cosa si tratta.
Dalla superficie libera di un fluido sfuggono incessantemente molecole che si disperdono nell'ambiente circostante. Il numero che ne esce dipende dallo stato del liquido.
Su una superficie di liquido entrano ogni sorta di molecole del gas che lo sovrasta, fra cui anche molecole in forma gassosa del liquido.
Il flusso entrante è legato allo stato del gas, e non del liquido, e in particolare dipende dalla sua pressione parziale. Se il liquido è in un contenitore chiuso esso evapora, arricchendo di gas l'ambiente, sino a che il numero di molecole che rientrano eguaglia esattamente quelle che evaporano. A quel punto il liquido appare stabile, perchè il suo livello risulta dalla competizione fra due processi che hanno verso opposto e stessa ampiezza. Si usa dire che l'ambiente è saturo di vapor d'acqua come se l'aria fosse una spugna, oppure che il liquido ha cessato di evaporare, cosa falsissima perchè sta evaporando come prima e del resto la quantità di liquido che evapora dalla superficie non dipende certo dallo stato del gas sovrastante.
Questa situazione può essere schematizzata (BOHREN & ALBRECHT, 1998) tramite una vasca d'acqua forata sul fondo in cui un rubinetto versa un flusso d'acqua costante. Il flusso d'acqua in uscita dalla vasca dipende dalla pressione e dunque il livello dell'acqua in essa cresce sino a che la pressione diventa esattamente tale da espellere dalla vasca il flusso entrante dall'alto. Si dirà che la vasca è satura d'acqua? Evidentemente no. Si dirà che l'ingresso d'acqua è cessato? Neppure. Semplicemente il sistema ha raggiunto uno stato di equilibrio fra flusso entrante e uscente.
Qualcosa di analogo avviene per una superficie d'acqua che è andata in equilibrio con una certa pressione di vapore sopra di essa.
È facile vedere che la pressione parziale di equilibrio “e(e)” che il gas deve avere al di sopra del liquido perchè si abbia equilibrio fra evaporazione e condensazione dipende dalla sola temperatura del sistema, e in particolare non dipende dalla presenza di altri gas nell'ambiente. Il suo valore in funzione di T è dato dall'equazione di CLAUSIUS -CLAPEYRON (KONDEPUDI & PRIGOGINE, 1998), ed è qui illustrato (Fig. 1 ).
Dalla figura 1 si vede che a T=273 K (O°C) la pressione di equilibrio è 600 Pa e sale a una pressione uguale a quella atmosferica (105 Pa) a T=373 K: si ha cioè ebollizione. Si noti il fatto che la curva ha convessità verso l'alto, un fatto che ha grandi implicazioni meteorologiche. Nel seguito si utilizzerà il termine aria satura di umidità solo in contesto colloquiale, sostituendolo con il più corretto vapor d'acqua all'equilibrio, dato che non c'è nulla di saturo. Si continuerà, invece, a utilizzare i termini sovra e sottosaturazione, imprecisi ma compatti.
2) Contenuto di vapore all'equilibrio
È interessante notare che il contenuto di vapore d'acqua all'equilibrio è sempre piuttosto piccolo.
La figura 2 ne mostra la densità in funzione della temperatura: si vede che a 0°C la densità è pari a 4.9 g m-3, a 10°C è 9.4 g m-3, a 20°C è 17.3 g m-3.
Alle temperature tipiche delle grotte si può assumere, senza commettere errori troppo grandi, che il valore numerico della densità del vapor d'acqua all'equilibrio espressa in grammi per metro cubo sia pari alla temperatura in gradi centigradi. Questo vale anche in termini differenziali, e ci permette di calcolare l'acqua che si viene a condensare per un piccolo abbassamento di temperatura: a temperature tipiche (5-20°C) un abbassamento di temperatura di 0.1°C libera un decimo di grammo ogni metro cubo d'aria raffreddata.
Come detto, la possibilità che in grotta il vapor d'acqua non sia in equilibrio con le superfici d'acqua è l'eccezione piuttosto che la regola. Capita in grotte fossili durante stagioni particolarmente secche, o in zone desertiche.
In questi casi la sottosaturazione porta con se disequilibri termici molto forti, dato che uno dei ruoli fondamentali dei processi condensativi è quello di pompa energetica.
I processi di condensazione depositano e quelli di evaporazione sottraggono grandi quantità di energia (entalpia latente di vaporizzazione): l'evaporazione di 1 kg d'acqua richiede 2.26x10 alla 6 J, un'energia che sarebbe capace di innalzare di 600°C la temperatura di quella stessa massa d'acqua!
Quando il vapore è alla pressione di equilibrio crea condensazioni (evaporazioni) nelle zone dove la temperatura è appena più bassa (alta) e quindi le scalda (le raffredda): il suo ruolo è quindi quello di uniformare la temperatura con un'efficienza ben maggiore di quella garantita dai soli scambi di aria secca.
Nel presente studio non ci si occupa di questi importantissimi aspetti energetici, concentrandosi invece sui processi che portano a scostamenti dalla pressione di equilibrio e rimandando analisi più dettagliate a un lavoro in preparazione.
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