Termiche e nubi convettive

Il termine "convezione" è utilizzato per indicare il trasferimento di una o più proprietà di un fluido tramite moti verticali. Quando il trasferimento avviene tramite moti orizzontali, i meteorologi usano il termine "avvezione".
Se in un fluido si manifestano differenze di temperatura e, di conseguenza, anche di densità, tra uno strato superiore e quello inferiore si possono creare configurazioni stabili o instabili. Se lo strato più freddo e pesante è situato in basso, nel fluido non si sviluppano spontaneamente moti verticali; la stratificazione si può dunque considerare stabile.
Riscaldando dal basso un recipiente contenete acqua (o un altro fluido), si creano dei moti verticali prodotti dalla instabilizzazione del fluido. Se utilizziamo un recipiente ampio contenente un sottile strato di acqua, la convezione si organizzerà in cellule esagonali: noteremo che il fluido caldo sale al centro di ogni esagono e scende ai lati ("convezione di Benard").
Dividendo la differenza di temperatura tra lo strato caldo e quello freddo per lo spessore del fluido, si ottiene il "gradiente termico verticale". Le "cellule di Benard" si sviluppano quando il gradiente raggiunge un determinato valore positivo che dipende dalle proprietà del fluido.
Se nel fluido soggetto a convezione sono presenti moti orizzontali, le cellule risultano deformate; quando la velocità orizzontale aumenta al crescere dell'altezza (cosa che si verifica frequentemente nella libera atmosfera) si creano linee di convezione parallele alla direzione del flusso.
Nelle giornate soleggiate, in modo particolare nei primi giorni dell'estate, il suolo si riscalda e cede calore ai bassi strati atmosferici. Se questo riscaldamento è sufficientemente intenso l'aria, perlomeno alle quote più basse, diventa instabile; bolle d'aria calda, denominate "termiche", si sollevano e tra le "termiche" si sviluppano correnti discendenti.
L'instabilità può anche essere indotta dal transito di una massa d'aria sopra acqua più calda; l'instabilità indotta dal transito dell'aria fredda sul mare caldo è evidenziata dal volo dei gabbiani. I gabbiani salgono planando in configurazioni circolari, di norma leggermente inclinate verticalmente, che segnano il profilo delle termiche; queste, infatti, sono un po' inclinate in presenza di venti deboli. All'aumentare della velocità del vento, il volo planato di questi uccelli segue le lunghe linee di convezione che si sviluppano parallelamente alla direzione del flusso. Quando l'aria è stabile i gabbiani non utilizzano il volo planato per salire di quota, non essendo presente alcuna termica.
Nella libera atmosfera i fenomeni sono sempre più complessi di quelli che si possono osservare in semplici esperimenti di laboratorio. Perché l'atmosfera sia instabile non basta avere un gradiente verticale positivo. La temperatura, perlomeno nella troposfera, tende quasi sempre a diminuire verso l'alto, ma i moti convettivi si manifestano soltanto in particolari circostanze.
Un pacchetto d'aria tende a sollevarsi finché risulta più caldo dell'aria circostante, ma salendo si espande attraversando regioni dell'atmosfera in cui la pressione è sempre più bassa. Il lavoro d'espansione avviene a spese dell'energia interna dell'aria in ascesa ("espansione adiabatica"), di conseguenza il pacchetto d'aria tende a raffreddarsi. Potrebbe, comunque, sollevarsi ugualmente se, nonostante il raffreddamento prodotto dall'espansione, risultasse ancora più caldo dell'aria circostante; ma se non si verifica quest'ultima condizione, il pacchetto d'aria non potrà sollevarsi.
Il gradiente verticale derivante dal raffreddamento dell'aria per espansione adiabatica (o dal riscaldamento per compressione) è chiamato "gradiente adiabatico". L'aria, dunque, risulterà instabile solo a condizione che il gradiente termico verticale risulti più intenso di quello adiabatico ("gradiente superadiabatico").
Il gradiente adiabatico, perlomeno nella bassa atmosfera, è di circa 1 °C ogni 100 m. Gradienti termici superadiabatici, cioè di oltre 1° ogni 100 m, sono poco frequenti e si verificano in uno strato d'aria relativamente sottile al disopra del suolo arroventato dal sole o della superficie del mare caldo sul quale scorre aria molto fredda. Se le cose stessero semplicemente così, i moti verticali nella libera atmosfera sarebbero una rarità e si manifesterebbero soltanto a quote molto basse.
In realtà, quello che abbiamo preso in considerazione finora è il "gradiente adiabatico aria secca".
Se all'interno dell'aria che si solleva per una causa qualsiasi, il raffreddamento prodotto dall'espansione adiabatica causa la condensazione del vapore acqueo (vale a dire la formazione di una nuvola), viene liberato calore di condensazione. Dal momento in cui iniziano a manifestarsi fenomeni di condensazione, il raffreddamento dell'aria in ascesa sarà meno marcato e verranno così favoriti i moti ascensionali. Alle correnti ascensionali, talvolta molto vigorose, che si sviluppano nelle nubi, si contrappongono per compensazione, moti discendenti nelle aree di bel tempo.
Questo gradiente adiabatico modificato dal calore prodotto dalla condensazione del vapore è chiamato "gradiente adiabatico aria umida".
Lo sviluppo di nubi convettive imponenti può dunque essere innescato da un marcato gradiente termico al disopra del suolo o del mare, ma richiede anche la presenza di grandi quantità di vapore, vale a dire di uno spesso strato di aria calda ed umida nella bassa atmosfera.