Il raffreddamento dell'aria
Il raffreddamento della massa d'aria può essere ottenuto in tre modi.
Il raffreddamento per irraggiamento avviene generalmente di notte quando il cielo è sereno e non c'è vento. In questo caso l'abbassamento della temperatura al suolo sotto il punto di rugiada produce la condensazione dell'umidità formando la nebbia, in genere dove ci sono laghi o boschi.
Il raffreddamento per avvezione si ha quando una massa d'aria calda e umida si sposta sopra una superficie marina o continentale fredda e, condensandosi, forma le nebbie, generalmente lungo le coste.
Abbiamo infine il raffreddamento per innalzamento in quota. Quando una bolla d'aria risale, incontra zone a pressione progressivamente inferiore, perciò si espande e si raffredda con raffreddamento adiabatico perché non scambia calore con l'aria circostante, essendo un cattivo conduttore. Finché la temperatura della massa d'aria che si innalza è inferiore al punto di rugiada, la diminuzione della temperatura avviene secondo il gradiente adiabatico secco. Quando è raggiunto il punto rugiada, che dipende dalla temperatura iniziale e dalla quantità di vapore, la temperatura diminuisce più lentamente, secondo il gradiente adiabatico umido. Questo raffreddamento produce la formazione delle nubi.
La differenza sostanziale tra la nebbia e la nube riguarda la modalità di condensazione del vapore: nelle nubi la massa d'aria subisce una trasformazione adiabatica, in cui l'abbassamento di temperatura non è dovuto ad uno scambio di calore con l'ambiente circostante, ma a una variazione di pressione.
Nebbia, rugiada e brina
La nebbia, di cui si è già parlato sopra, è una nube con la base molto vicina al suolo e si forma per irraggiamento o per scorrimento. C'è anche la nebbia di pendio quando una massa d'aria umida risale lungo i versanti di una montagna, si espande e si raffredda adiabaticamente fino al punto di rugiada.
Si ha propriamente la nebbia quando la visibilità è ridotta a meno di 1 km e foschia se è superiore al km e l'umidità relativa è superiore al 95% con una maggiore rarefazione delle goccioline d'acqua.
Quando la temperatura scende al di sotto del punto di congelamento si forma la brina, per sublimazione diretta del vapore a contatto con la superficie fredda.
Se la temperatura è inferiore a -8 °C il ghiaccio ricopre tutte le superfici e si parla di galaverna.
Innalzamento in quota
L'innalzamento può avvenire per convezione: quando due masse d'aria convergono, tendono a salire aumentando l'instabilità e raffreddandosi adiabaticamente per espansione; questo si verifica specialmente quando c'è un forte riscaldamento al suolo tipicamente nelle zone tropicali o a latitudini più alte nel periodo estivo.
Il raffreddamento orografico si ottiene quando una massa d'aria umida è costretta a salire lungo un versante e si raffredda fino alla condensazione. Nello scavalcare una catena montuosa, l'aria si innalza e poi si abbassa provocando una espansione e quindi un raffreddamento e condensazione, e poi una compressione e riscaldamento con conseguente evaporazione. Si forma perciò un corpo nuvoloso sulla cima apparentemente fermo, mentre in realtà è un susseguirsi di nubi orografiche in formazione e dissolvimento.
Il raffreddamento sinottico o ciclonico, delle zone temperate, si ha quando una massa d'aria calda e umida risale sopra una massa d'aria fredda che è più pesante; nella zona di contatto avviene un raffreddamento, con formazione di nubi prevalentemente stratificate.
Stabilità e instabilità dell'aria
Quando la massa, risalita con uno dei meccanismi citati sopra, incontra aria più calda smette di risalire e tende a scendere; in questo caso si ha stabilità dell'aria e si formano grigie nubi stratiformi. È stabile una massa d'aria che si muove su una superficie più fredda: la parte di aria che si è raffreddata per contatto con il suolo sottostante più freddo diventa pesante e tende a rimanere in basso, anche se sollevata forzatamente (ad esempio quando incontra un rilievo montuoso). Sono di questo tipo le masse d'aria tropicale che provengono da aree calde e si spostano su superfici via via più fredde.
Se l'aria in salita incontra aria alla medesima temperatura, in una situazione di neutralità, si formano nubi cumuliformi in veloce dissolvimento.
Se si trova circondata da aria più fredda, si ha una situazione di instabilità e l'aria tende a salire ulteriormente formando nubi cumuliformi a notevole sviluppo verticale. È instabile una massa d'aria che si muove su una superficie più calda: la parte vicino al suolo che si riscalda diventa più leggera e tende a salire determinando turbolenze, rimescolamento dell'aria, condensazione dell'umidità e precipitazione. Sono di questo tipo le masse d'aria polare e artica, che provengono da aree fredde e si spostano su superfici via via più calde.