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Quando la sabbia sulla spiaggia scotta

15 Luglio 2021 di 

Siamo in spiaggia e, sotto il sole più caldo di mezzogiorno, vogliamo rinfrescarci nell’acqua del mare. Ma c’è un grosso ostacolo da superare per riuscire a tuffarsi: la sabbia rovente!

 

Perché la sabbia ci brucia i piedi?


Esposta agli infuocati raggi solari, la sabbia delle spiagge di tutto il mondo si riscalda: l’energia solare, dopo aver attraversato l’atmosfera, raggiunge il suolo terrestre sotto forma di radiazione elettromagnetica (ultravioletta, visibile e infrarossa), trasferendo calore per irraggiamento. Così la sabbia, come qualsiasi altro corpo materiale, assorbe e riflette una parte di questa radiazione e si scalda.
Partendo da queste considerazioni, sono state raccolte alcune sabbie provenienti da spiagge italiane ed estere, al fine di capire perché, in certe spiagge, la sabbia tende a scaldarsi moltissimo, mentre in altre meno. In particolare, questo studio ha preso in considerazione sabbie molto bianche di spiagge tropicali, sabbie molto scure di origine vulcanica e altre sabbie con particolari caratteristiche di colore e forma raccolte in diverse località (Stati Uniti, Africa, Francia e Italia).

 

Sabbie scure e sabbie chiare: la riflettanza solare


Le spiagge di sabbia bianca sono da sempre associate a posti meravigliosi e lontani, che spesso possiamo ammirare solo da una cartolina: vederne una o poterci camminare sopra trasmette una sensazione di forte benessere, come se ci trovassimo in un paradiso terrestre. Poi ci sono luoghi altrettanto straordinari, più tenebrosi e avvolti da un fascino misterioso: sono le spiagge vulcaniche, caratterizzate da suggestive distese di sabbia completamente nera.
Da un punto di vista chimico, queste due categorie di sabbie hanno una composizione molto diversa: infatti, mentre quelle bianche non contengono elementi cromofori (Ferro, Cromo, Titanio), quelle scure ne sono fortemente ricche, soprattutto di ossidi ferrosi.
Queste caratteristiche incidono su una proprietà dei materiali, nota come Riflettanza Solare (RS): ogni corpo, quando viene colpito da una radiazione incidente, a seconda delle sue caratteristiche chimiche, morfologiche e composizionali, può rifletterla, assorbirla o trasmetterla; in particolare, si definisce riflettanza solare la frazione di radiazione incidente riflessa da una superficie.
In generale, più una superficie è chiara, più è riflettente e manterrà una temperatura inferiore se esposta alla luce solare; più è scura, più tenderà ad assorbire calore, scaldandosi maggiormente. Pertanto, si può affermare che, in generale, spiagge di sabbia più chiara si conservano potenzialmente “più fresche” di quelle di sabbia scura.

 

Dov’è la sabbia più rovente?


Per capire la ragione di questo fenomeno facciamo un esempio: decidiamo di trascorrere un’estate nel Sud della Sardegna dove le spiagge sono distese bianche simili a borotalco; poi l’estate successiva ce ne andiamo in Sicilia, esattamente sull’isola di Stromboli e ci ritroviamo circondati da spiagge nere come il carbone. Camminando sull’una e sull’altra nelle ore più calde del giorno, certamente notiamo che i nostri piedi soffrirebbero di più su quella scura. Infatti, prendendo un campione rappresentativo di entrambe le sabbie, misurandone la riflettanza solare e il grado di riscaldamento dopo un certo tempo, possiamo confermare l’esperienza diretta: la sabbia bianca rimane più fresca!
Per verificare quanto detto, la riflettanza solare è stata determinata utilizzando una strumentazione molto sofisticata; invece, per stabilire quanto la sabbia fosse in grado di scaldarsi, i campioni sono stati esposti per un’ora e mezza alla luce di una lampada a infrarossi e, attraverso delle termocoppie, sono state registrate le variazioni di temperatura nel tempo. Nella tabella di seguito si possono osservare i risultati ottenuti.

 

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Posto che una superficie è tanto più riflettente quanto più il valore della riflettanza si avvicina all’unità, possiamo concludere che la sabbia della Sardegna, essendo più chiara, riflette di più (0.44) e si scalda meno (56 °C dopo un’ora e mezza), mentre è esattamente il contrario per la sabbia vulcanica che, essendo scura, riflette meno, assorbe di più e si scalda maggiormente.
Tuttavia, ci sono anche sabbie che, pur essendo molto chiare, raggiungono temperature più alte rispetto ad altre meno chiare. Per comprendere questa “anomalia” consideriamo due sabbie, una proveniente dalle spiagge paradisiache delle Seychelles, l’altra presa su una spiaggia della Corsica: la prima, essendo bianchissima, ha restituito valori di riflettanza solare molto alti (0.68), mentre la seconda, pur avendo valori inferiori (0.43), è comunque considerabile a tutti gli effetti una sabbia chiara. Allora, quale si scalderà di più? Stando a quanto detto in precedenza, la sabbia della Corsica, riflettendo meno, dovrebbe accumulare più calore. E invece… ponendo le due sabbie sotto lampade a infrarossi per un’ora e mezza si è osservato che quella delle Seychelles raggiunge temperature più elevate di quella della Corsica.

 

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Dunque, attraverso questa prima parte dello studio si è concluso che il colore non è l’unica proprietà a rendere la sabbia di una spiaggia più o meno calda: ci sono infatti altre variabili meno evidenti che influiscono.

 

Densità apparente e indice di compressibilità


Le sabbie, essendo delle polveri, hanno caratteristiche influenzate dalla densità e dal volume apparenti, parametri che danno informazioni sul grado di impaccamento di una polvere e, di conseguenza, anche sulla sua scorrevolezza. Inoltre, occorre sottolineare che l’impaccamento dipende a sua volta da altri aspetti, specialmente dalle dimensioni e dalla forma delle particelle. In particolare, l’indice di compressibilità (CI)  –che si misura seguendo una specifica procedura e utilizzando un’opportuna strumentazione – esprime quanto una polvere si compatta, considerando la sua densità apparente prima e dopo l’impaccamento: più questo indice è alto, maggiore è il grado di compattazione della polvere; più è basso meno la polvere si compatterà e avrà migliore scorrimento.
Pertanto, si è concluso che questo parametro influisce sul riscaldamento delle sabbie perché, nei casi in cui una sabbia si scalda poco pur non avendo alti valori di riflettanza solare, saranno i suoi grani ad avere forma e dimensioni tali per cui il grado di compattazione risulterà inferiore: in tal modo aumenta la percentuale di spazi vuoti e l’aria passa più facilmente attraverso la sabbia, mantenendola più fresca. Dunque, la sabbia della Corsica si scalda meno di quella delle Seychelles perché ha un impaccamento più basso (CI Corsica = 7.25, CI Seychelles = 12).

 

Mille spiagge, tante sabbie diverse


Alla luce delle considerazioni fatte, si può concludere che le spiagge, con le loro distese sabbiose, sono un caleidoscopio di diversità: le tante variabili che concorrono, dal colore alla forma, dalla compattezza alle dimensioni dei granelli, avvolgono questi luoghi di una misteriosa imprevedibilità. Certamente, però, quando quest’estate cammineremo su una bellissima spiaggia e potremo sentire la temperatura della sua sabbia, non sarà più tanto difficile immaginare perché ci sta bruciando i piedi: e allora la corsa per tuffarci e rinfrescarci nell’acqua del mare potrebbe assumere tutto un altro sapore!

Cristina Siligardi e Mariangela Governatori

Cristina Siligardi è Professore Ordinario di Scienza e Tecnologia dei Materiali presso il Dipartimento di Ingegneria Enzo Ferrari dell’Università di Modena e Reggio Emilia.
È Associate Editor per la rivista Journal of American Ceramic Society e per la rivista Ceramics.
È autrice di oltre 170 pubblicazioni su riviste nazionali e internazionali e di oltre 190 contributi in Congressi Nazionali e Internazionali di cui molte come relatore e a invito.

Mariangela Governatori è Assegnista di Ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Enzo Ferrari dell’Università di Modena e Reggio Emilia, dove lavora da settembre 2019. Nel 2019 si è laureata in Ingegneria dei Materiali con lode presso l’Università di Modena e Reggio Emilia, con una tesi sperimentale sulla preparazione e caratterizzazione di materiali ceramici ad alta riflettanza solare.

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