Cumulonimbus mamma: le sacche sospese sotto il temporale

Non sono una specie di nube

Nel linguaggio comune vengono chiamate “nuvole mammatus”, come se costituissero una categoria autonoma. Nella classificazione dell’Organizzazione meteorologica mondiale il termine ufficiale è invece mamma e identifica una caratteristica supplementare applicata a una nube già classificata.

La denominazione completa può quindi essere, per esempio, Cumulonimbus mamma: un cumulonembo che presenta protuberanze pendenti sulla propria superficie inferiore.

Il nome deriva dal latino mamma, che significa mammella o mammella animale, in riferimento alla forma delle sacche. Il termine inglese mammatus è molto diffuso nella meteorologia divulgativa, ma nell’Atlante internazionale delle nubi la caratteristica è indicata come mamma.

Che aspetto hanno

Le mamma appaiono come lobi, tasche o sacche arrotondate che sporgono verso il basso dalla base della nube.

Non sono necessariamente tutte uguali. Possono presentarsi come:

• elementi quasi emisferici e ben separati;
• sacche allungate;
• lobi irregolari e parzialmente collegati;
• strutture ordinate in file;
• un’estesa superficie ondulata.

La forma visibile dipende dalla distribuzione delle particelle nella nube, dai movimenti verticali, dalla turbolenza, dal vento e dalle differenze di temperatura e umidità tra la nube e l’aria sottostante. Il Met Office descrive infatti una notevole varietà, dalle classiche protuberanze tondeggianti fino a strutture più allungate.

Sono particolarmente spettacolari quando il Sole è basso sull’orizzonte. La luce radente illumina un lato delle sacche e lascia in ombra quello opposto, rendendo evidente una struttura che con illuminazione uniforme potrebbe apparire molto meno pronunciata.

Perché sono associate ai cumulonembi

Il cumulonembo è una nube molto sviluppata verticalmente, prodotta da intense correnti ascensionali. L’aria calda e umida sale, si espande, si raffredda e forma goccioline d’acqua e cristalli di ghiaccio.

Quando la sommità del temporale raggiunge uno strato atmosferico molto stabile, generalmente in prossimità della tropopausa, la crescita verticale viene fortemente rallentata. La nube tende allora a espandersi lateralmente, formando la caratteristica incudine. L’Atlante internazionale delle nubi definisce il cumulonembo come una nube densa, di grande sviluppo verticale, la cui parte superiore assume frequentemente una struttura liscia, fibrosa o appiattita.

L’incudine contiene aria umida, cristalli di ghiaccio, goccioline sopraffuse e altre particelle provenienti dalle forti correnti ascendenti del temporale. Quando questa massa si espande sopra aria più secca, si crea un’interfaccia nella quale possono svilupparsi le mamma.

La WMO indica infatti che nel cumulonembo la caratteristica mamma viene osservata frequentemente sotto la parte sporgente dell’incudine.

Non si trovano soltanto sotto i temporali

L’associazione con il cumulonembo è la più conosciuta, ma non è esclusiva.

Secondo l’Atlante internazionale delle nubi, le mamma possono comparire anche con:

• Cirrus;
• Cirrocumulus;
• Altocumulus;
• Altostratus;
• Stratocumulus.

Sono state inoltre osservate sotto scie di condensazione degli aerei e in nubi contenenti cenere vulcanica. La revisione scientifica pubblicata nel Journal of the Atmospheric Sciences sottolinea proprio che il fenomeno compare in ambienti nuvolosi differenti e che questa varietà rende improbabile l’esistenza di una sola spiegazione universale.

Dire “cumulonimbus mamma” è quindi corretto quando le sacche appartengono a un cumulonembo, ma le mamma non sono una proprietà esclusiva dei temporali.

La formazione delle nubi normalmente avviene verso l’alto

La maggior parte delle nubi convettive si sviluppa perché una massa d’aria sale.

Salendo, la pressione diminuisce. L’aria si espande e si raffredda. Se raggiunge la saturazione, una parte del vapore acqueo condensa in goccioline o passa allo stato solido formando cristalli di ghiaccio.

Le mamma mostrano invece uno sviluppo visibile verso il basso. Questo non significa che siano semplicemente “pezzi di nube che cadono”. Le particelle, il vapore, il raffreddamento e i movimenti dell’aria interagiscono producendo protuberanze che penetrano nello strato sottostante.

L’aria all’interno di una sacca può avere una densità differente da quella circostante e muoversi verso il basso, mentre tra una protuberanza e l’altra possono esistere movimenti compensativi verso l’alto. La struttura complessiva è quindi una forma di circolazione tridimensionale, non una semplice precipitazione appesa alla nube.

Perché la loro formazione non è ancora spiegata da una sola teoria

La letteratura scientifica ha proposto numerosi meccanismi:

• evaporazione delle goccioline;
• sublimazione dei cristalli di ghiaccio;
• fusione delle particelle solide;
• caduta degli idrometeori;
• raffreddamento radiativo;
• turbolenza;
• onde di gravità;
• instabilità prodotte da differenze di densità;
• instabilità dovute al vento tra strati differenti.

La revisione di Schultz e collaboratori pubblicata nel 2006 esaminò dieci principali meccanismi proposti. Gli autori conclusero che le osservazioni disponibili non permettevano di scegliere un’unica spiegazione valida per tutti i casi.

Non è un segno di debolezza della meteorologia. È una conseguenza della difficoltà di effettuare misure dirette in strutture relativamente piccole, irregolari, poste spesso a diversi chilometri di quota e associate a temporali nei quali il volo strumentale può essere pericoloso.

È inoltre possibile che forme visivamente simili siano prodotte da combinazioni fisiche differenti.

Il ruolo dell’evaporazione e della sublimazione

Uno dei meccanismi più studiati parte dalla presenza di aria relativamente secca sotto l’incudine.

Goccioline e cristalli scendono dalla base della nube. Entrando nello strato più secco, l’acqua liquida evapora e il ghiaccio sublima, passando direttamente allo stato di vapore.

Entrambi i processi richiedono energia e sottraggono calore all’aria circostante. L’aria si raffredda, diventa più densa e tende a scendere ulteriormente. Si forma così una protuberanza che penetra verso il basso.

La discesa porta altre particelle nello strato secco, alimentando nuova evaporazione o sublimazione. Il processo può quindi rafforzarsi per un certo intervallo, fino a quando la miscela con l’aria circostante e l’esaurimento delle particelle riducono il contrasto.

Uno studio del 2020 pubblicato nel Journal of Fluid Mechanics ha mostrato, attraverso un modello idealizzato, che la sedimentazione delle goccioline e la loro evaporazione nell’aria secca sottostante possono produrre un’instabilità compatibile con la formazione delle mamma.

Questo meccanismo è fisicamente plausibile e supportato da simulazioni, ma non dimostra che tutte le mamma si formino nello stesso modo.

Le particelle della nube modificano la densità dell’aria

L’aria contenente goccioline, cristalli di ghiaccio o grandine ha una massa complessiva maggiore rispetto alla stessa quantità di aria priva di particelle.

Sotto l’incudine, una zona particolarmente carica di idrometeori può quindi tendere a scendere. Durante la discesa, le particelle evaporano, sublimano o fondono e modificano ulteriormente temperatura e densità.

La forma finale dipende dal bilancio tra diversi effetti:

• peso delle particelle;
• raffreddamento prodotto dai cambiamenti di fase;
• riscaldamento dovuto alla compressione dell’aria discendente;
• mescolamento con l’ambiente;
• turbolenza;
• vento orizzontale.

Le simulazioni numeriche hanno mostrato che la caduta degli idrometeori e la sublimazione possono produrre protuberanze simili a quelle osservate, ma il risultato cambia sensibilmente al variare delle condizioni iniziali.

Il raffreddamento non è l’unica possibilità

Alcuni studi hanno proposto anche un ruolo degli scambi radiativi.

La base della nube assorbe ed emette radiazione infrarossa in modo diverso rispetto all’aria limpida sottostante. Questo può produrre variazioni locali di temperatura e galleggiamento, contribuendo a destabilizzare l’interfaccia.

Un lavoro pubblicato nel Journal of the Atmospheric Sciences ha studiato la possibilità che il riscaldamento radiativo della base nuvolosa contribuisca alla formazione delle strutture mammiformi. Anche questo meccanismo può essere importante in determinate condizioni, ma non sostituisce necessariamente evaporazione, sedimentazione e turbolenza: più processi possono agire contemporaneamente.

Le onde possono ordinarle senza necessariamente crearle

In alcune osservazioni le sacche risultano disposte in file o strutture quasi periodiche.

Una possibile spiegazione è la presenza di onde atmosferiche, generate per esempio quando la forte corrente ascensionale del temporale raggiunge la tropopausa e si espande lateralmente. Le onde possono organizzare le zone ascendenti e discendenti, determinando la posizione delle protuberanze.

Questo non significa però che le onde siano sempre la causa iniziale delle mamma. Potrebbero limitarsi a ordinare strutture già prodotte da raffreddamento, sedimentazione o instabilità di densità.

La distinzione è importante: un processo può determinare dove si formano le sacche senza essere il meccanismo che le genera materialmente.

Indicano un temporale violento?

Le mamma vengono osservate frequentemente sotto le incudini di temporali forti. La loro presenza dimostra che nella nube o nei suoi dintorni sono avvenuti processi convettivi, microfisici e dinamici sufficientemente intensi da costruire una grande incudine e una complessa interfaccia con l’aria sottostante.

Non costituiscono però una misura diretta della violenza del temporale.

Il National Weather Service statunitense specifica che le mammatus accompagnano spesso temporali severi, ma non producono esse stesse fenomeni severi e possono comparire anche con temporali non severi.

Osservarle non permette quindi di concludere automaticamente che siano imminenti:

• un tornado;
• una grandinata;
• un downburst;
• raffiche distruttive;
• un’alluvione improvvisa.

La nube alla quale appartengono può aver prodotto o continuare a produrre questi fenomeni, ma la forma mammiforme non è da sola uno strumento previsionale sufficiente.

Non sono tornado capovolti

Le sacche non sono vortici che scendono verso il terreno e non rappresentano tornado in formazione.

Un tornado è una colonna d’aria in intensa rotazione collegata a una nube convettiva e in contatto con il suolo. Una tuba o funnel cloud è invece una protuberanza conica o tubolare associata a rotazione.

Le mamma sono generalmente arrotondate, numerose e distribuite sotto una superficie nuvolosa estesa. Non implicano necessariamente rotazione organizzata e non si sviluppano fino al terreno.

Confonderle con strutture tornadiche significa giudicare il fenomeno dalla sola direzione apparente: entrambe pendono da una nube, ma la fisica è completamente diversa.

Non sono nemmeno downburst

Un downburst è una corrente discendente intensa che raggiunge il terreno e si espande orizzontalmente, producendo raffiche potenzialmente distruttive.

Le mamma sono anch’esse associate a movimenti discendenti, ma su scala e con caratteristiche diverse. Le protuberanze possono dissolversi molto prima di raggiungere il terreno e non costituiscono di per sé una corrente discendente capace di produrre danni al suolo.

Vedere numerose sacche sotto un’incudine non significa quindi osservare una serie di microburst sospesi.

Possono trovarsi lontano dalla pioggia

L’incudine di un grande temporale può estendersi lateralmente per molti chilometri rispetto alla zona delle precipitazioni più intense.

Le mamma possono comparire nella parte sporgente dell’incudine, anche quando l’osservatore si trova sotto un cielo apparentemente asciutto e il nucleo temporalesco è distante.

Questo spiega perché a volte vengono fotografate dopo il passaggio della parte più intensa del temporale oppure in una zona nella quale non è caduta pioggia.

La loro presenza segnala comunque che una nube convettiva importante è presente o è passata nelle vicinanze. Prima di fermarsi all’aperto per osservarle occorre quindi considerare il rischio di fulmini, che può estendersi oltre l’area delle precipitazioni visibili.

Bellezza e informazione scientifica

Le mamma sono spettacolari perché rendono visibile una superficie atmosferica normalmente invisibile.

La base dell’incudine separa masse d’aria con caratteristiche differenti. Le sacche mostrano che quell’interfaccia non è una linea immobile: particelle, calore, vapore e quantità di moto vengono continuamente scambiati tra la nube e l’ambiente.

Ogni protuberanza è il risultato visibile di un equilibrio temporaneo fra:

• gravità;
• galleggiamento;
• cambiamenti di fase dell’acqua;
• turbolenza;
• mescolamento;
• vento.

La loro regolarità apparente non indica quiete. È il prodotto momentaneo di un sistema in movimento.

Ciò che mostrano e ciò che non dicono

Dall’osservazione delle mamma si può concludere che:

• esiste una nube con una base fortemente strutturata;
• sono presenti differenze di umidità, temperatura o contenuto di particelle;
• avvengono movimenti verticali e mescolamento;
• nel caso di un cumulonembo, il temporale ha sviluppato un’incudine significativa.

Non si può invece stabilire, dalla sola forma:

• la velocità massima del vento al suolo;
• il diametro della grandine;
• la probabilità di un tornado;
• la quantità di pioggia;
• la direzione precisa del temporale;
• quanto durerà il sistema.

La forma della nube è un indizio sul processo atmosferico, non un bollettino meteorologico completo.

Conclusioni

Le mamma sono una caratteristica supplementare delle nubi, non una specie autonoma.

Si osservano soprattutto sotto le incudini dei cumulonembi, ma possono comparire anche con altre nubi e perfino sotto formazioni contenenti cenere vulcanica.

La loro formazione non è ancora attribuita a un unico meccanismo. Sedimentazione delle particelle, evaporazione, sublimazione, raffreddamento, differenze di densità, turbolenza, radiazione e onde atmosferiche possono contribuire in proporzioni diverse.

La spiegazione più semplice — aria della nube che scende e forma sacche — descrive soltanto l’aspetto generale. Non spiega da sola perché le protuberanze inizino, perché assumano determinate dimensioni, perché si organizzino in file o perché compaiano in nubi differenti.

Sono frequentemente associate a temporali intensi, ma non sono causa diretta di grandine, tornado o raffiche distruttive e non ne dimostrano automaticamente l’arrivo.

La loro bellezza deriva proprio dal contrasto tra ordine visibile e complessità fisica. Sembrano forme immobili sospese sotto la nube, ma sono il risultato temporaneo di particelle che cadono, acqua che cambia stato, aria che si raffredda, turbolenza e movimenti compensativi.

Il cielo, in quel momento, non sta decorando il temporale.

Sta mostrando una parte del suo funzionamento.