A seguito delle gravi turbolenze che qualche giorno fa hanno colpito un aereo di linea sull'Oceano Indiano (probabilmente turbolenze convettive) e che hanno causato un morto e molti feriti, questo blog analizza i vari tipi di turbolenza che possono colpire gli aerei.
In aeronautica, il termine “turbolenza” è utilizzato per descrivere i movimenti d'aria che colpiscono e scuotono un aereo in volo, come pure quelli che possono interessare gli aerei negli strati inferiori dell'atmosfera, durante le fasi più delicate di decollo e atterraggio.
Questi movimenti sono dell'ordine di circa 1m - 1km e durano da un secondo a diversi minuti.
Le turbolenze su scala molto ridotta generano scosse che non possono essere corrette. Non ostacolano particolarmente il volo dell'aereo e sono solo una fonte di disagio per i passeggeri.
Nel caso di grandi movimenti d'aria (lunghezza d'onda lunga), l'aereo si muove nel suo insieme, senza scossoni e senza sollecitazioni esagerate sulla sua struttura. Il pilota dispone del tempo necessario per salire, scendere o cambiare rotta, evitando così effetti indesiderati.
Tra questi due estremi, la dimensione della turbolenza provoca il beccheggio e il rollio, aumentando il rischio di danni alla struttura. Il tipo di movimento che può esercitare una forza violenta e non uniforme sulla superficie degli aerei è all'incirca la dimensione dell'aereo.
Nota: in aeronautica, le altezze sono solitamente espresse in piedi (ft). Per la forza dei movimenti turbolenti e delle correnti termiche ascensionali si usano i metri al secondo (m/s).
Gli effetti della turbolenza su un aereo dipendono dalle sue dimensioni, dal suo peso e dalla sua velocità. Esiste una scala di intensità della turbolenza (scala ICAO - Organizzazione Internazionale per l’Aviazione Civile) che descrive gli effetti percepiti, la variazione della velocità dell'aereo e l'accelerazione verticale subita.
La turbolenza atmosferica si verifica in modo improvviso e spesso inaspettato quando il vento cambia improvvisamente forza e/o direzione.
Questi cambiamenti sono noti come wind shear. Il wind shear produce vortici che generano turbolenza per gli aerei. In queste situazioni, le componenti verticali del vento (correnti ascensionali e discendenti) svolgono un ruolo importante nella produzione di turbolenza. Questi flussi turbolenti sono spesso associati a velocità del vento elevate e soprattutto a variazioni significative della velocità e/o della direzione del vento su brevi distanze verticali. Ciò avviene in particolare alle alte quote prossime alle correnti a getto.
I flussi turbolenti sono anche legati alla presenza di ostacoli come le montagne (formazione di onde orografiche sottovento alle Alpi in una situazione di favonio), ma anche, su scala minore, legati alla presenza di edifici o colline.
La turbolenza ha anche origini termiche. I movimenti verticali di origine convettiva (convezione temporalesca) possono produrre turbolenze forti, anche estreme, ad alta quota, all'interno e intorno ai temporali, ma anche vicino al suolo con l'arrivo improvviso di raffiche violente.
Nei bassi strati, la turbolenza può essere associata a venti di gradiente tempestosi (bise, favonio, ecc.), talvolta anche a variazioni improvvise della massa d'aria (Joran al passaggio di un fronte freddo), ma in alcuni casi più deboli anche in prossimità di inversioni a bassa quota in inverno.
Questa turbolenza si verifica nei bassi strati. È essenzialmente legata a venti da forti a tempestosi e alle forze di attrito sulla superficie terrestre, ed è talvolta accentuata dalla presenza di ostacoli (terreni irregolari, edifici, foreste, ecc.). In Svizzera, questo tipo di turbolenza può essere associato a venti tempestosi (ad esempio bise tempestosa), al vento di Joran, alle raffiche di favonio o alle tempeste invernali da ovest come ad esempio Lothar.
Una bise o un vento tempestoso da ovest con raffiche superiori a 60 km/h possono generare una turbolenza da moderata a forte negli strati atmosferici più bassi. L'incanalamento del vento tra i rilievi del Giura e delle Prealpi, ma anche nelle valli alpine, contribuisce in particolare ad aumentare la velocità delle raffiche e quindi il rischio di turbolenza a bassa quota.
Questa turbolenza è legata ai forti movimenti termici ascendenti e discendenti associati alle nubi temporalesche (cumulonimbus, abbreviato Cb). Questa turbolenza può influenzare gli aerei in volo e nelle fasi di decollo e atterraggio.
In linea di principio al di sotto dei 1000 piedi (~300 m), il rischio di correnti discendenti (downdrafts) è più probabile di quello delle correnti ascensionali. Durante un volo orizzontale attraverso un temporale è possibile raggiungere accelerazioni verticali comprese tra 2g e 3g. Le velocità verticali possono raggiungere valori estremi dell'ordine di ~30 m/s. Nelle masse d'aria tropicali (quando la tropopausa è alta e fredda) i Cb si estendono fino a 10 o 13 km (massimo 18 km), mentre nelle masse d'aria polari si spingono fino a 5-7 km. Dal momento che la sommità di un temporale supera i 35000 piedi MSL (circa 11 km), deve essere considerato estremamente pericoloso.
La turbolenza convettiva può essere relativamente limitata nel caso di temporali isolati. Può invece interessare regioni più estese quando transitano linee temporalesche multicellulari o fronti temporaleschi. In questo caso, un fronte di raffiche può attraversare quasi un intero Paese, come la Svizzera. Nel caso di forti temporali (supercelle), la turbolenza può essere estrema.
La turbolenza intorno ai temporali si presenta tendenzialmente come una corrente discendente. La cella temporalesca agisce come una barriera che impedisce il passaggio del vento prevalente. Se deviato, il vento ondeggia e vortica. Questo tipo di turbolenza è associato principalmente a situazioni che producono potenti celle temporalesche (temporali pre-frontali, supercelle) con forti venti in quota.
In caso di forti temporali, non si dovrebbe volare in un raggio di almeno 30-40 km dalla zona del temporale.
A quote elevate, gli aerei si trovano generalmente al di sopra della zona nuvolosa principale e possono aggirare i Cb. Le tecniche per evitare i temporali si basano sull'osservazione visiva e radar.
Cellule temporalesche potenti che superano la tropopausa interagiscono con i forti venti stratosferici (atmosfera stabile) e possono provocare onde gravitazionali e turbolenze al di sotto della sommità del temporale (sotto l’overshooting top), molto simili alle onde orografiche nelle regioni montuose. I voli in prossimità delle cime dei Cb e sotto l’incudine dovrebbero essere evitati. L’altitudine dovrebbe essere di almeno 1000 piedi al di sopra della sommità del Cb per ogni 10 nodi di vento misurato alla sommità di un Cb.
Ad esempio, se il vento soffia a 50 nodi vicino alla cima del Cb, l'altitudine di volo dovrebbe essere di almeno 5000 piedi sopra la cima del Cb, secondo il manuale "Aviation weather" (prodotti di addestramento Sanderson).
Quando un forte vento soffia perpendicolarmente alla cresta di una montagna, inizia a ondulare nella zona sottovento al rilievo. Questo tipo di onde atmosferiche può salire molto in alto nella troposfera, fino a un'altezza di circa 10 km, o addirittura penetrare nella stratosfera. Questi movimenti verso l'alto e verso il basso sottovento, noti come onde orografiche, sono responsabili della turbolenza. Le onde orografiche aumentano di intensità quando un vento tempestoso, come una corrente a getto (jet stream), attraversa le Alpi.
Queste onde saranno ancora più sviluppate se il vento è perpendicolare alla catena montuosa su un grande spessore di atmosfera, con una forza media del vento di almeno 25 nodi nel caso di grandi catene montuose, ma solo di 15 nodi nel caso di una collina.
Idealmente, anche il vento dovrebbe aumentare con l'altitudine o almeno essere costante.
La presenza di uno strato d'aria stabile (isoterma o inversione) in prossimità o al di sopra del rilievo, dove l'aria è disturbata dalla montagna, permetterà all'aria inizialmente sollevata di essere spinta verso il basso, favorendo così la formazione di onde. È abbastanza comune trovare stabilità intorno ai 4-5 km (troposfera media).
Sulle Alpi, i venti da sud e da nord producono onde orografiche (situazioni di favonio). Non è raro vedere queste onde sul Giura.
Queste onde orografiche possono estendersi fino a 200 km oltre la cresta alpina, verso la Germania con vento da sud e l'Italia con vento da nord.
Ad eccezione della turbolenza che accompagna le nubi cumulonembi, la turbolenza in quota (a quote più elevate di 5-6km o 15000 piedi) è nota come turbolenza “in aria chiara” (CAT - Clear Air Turbulence). In quota, il wind shear verticale è principalmente associato alle correnti a getto (jet stream). La velocità al bordo del getto varia rapidamente su brevi distanze verticali, dando luogo a forti discontinuità nella velocità del vento (shear) che generano la turbolenza in aria chiara (CAT).
La frequenza della turbolenza in quota diminuisce lentamente con l'altitudine. D'altra parte, la frequenza della turbolenza aumenta in prossimità delle correnti a getto (jet stream) e della tropopausa, aree caratterizzate da un forte gradiente di temperatura e da un forte wind shear verticale e orizzontale. L'estensione orizzontale della CAT è di circa 80-100 km, ma può raggiungere i 300-500 km. Lo spessore medio è di 600 m, ma può essere inferiore a 30 m. Tuttavia, di solito le zone CAT sono spesse più di 2 km.
Il rischio di turbolenza aumenta rapidamente quando il wind shear verticale supera i 5 nodi per 1000 piedi.
Anche le discontinuità termiche e del vento (shear) ai limiti della massa d'aria, al passaggio di un fronte, ma anche a causa di un’inversione possono generare turbolenze in aria chiara.
Le CAT possono verificarsi anche negli strati inferiori (ad esempio forti raffiche di joran).
Le principali fonti di turbolenza sono quindi naturali. Esiste una fonte artificiale, la turbolenza di scia generata dalle estremità alari degli aerei. L'intensità e la forza delle turbolenze di scia dipendono dal peso dell'aereo, dalla sua velocità e dalla forma delle ali (massima quando i dispositivi di sollevamento sono dispiegati). La turbolenza di scia più violenta è generata da aerei commerciali di grandi dimensioni e molto carichi che volano a bassa velocità.
La turbolenza di scia ha un diametro compreso tra 70 e 150 m e può persistere per diversi minuti (in media 2 minuti) prima di dissiparsi e non produrre più effetti turbolenti su un altro aereo. La persistenza dei vortici sarà maggiore quanto più il vento è debole. Il mantenimento di una distanza orizzontale tra due aerei durante la fase di decollo o di atterraggio riduce al minimo il rischio che la turbolenza di scia venga attraversata dall'aereo che segue: da qui il margine necessario da 1 a 3 minuti tra decolli successivi.
In alcuni casi i vortici di scia possono essere osservati, in particolare quando l'aria è piuttosto umida a bassa quota, il vapore acqueo si condensa nella zona dei forti venti vicino al centro del vortice, rendendolo visibile.
La velocità tangenziale di questi vortici può essere estrema. L'intensità diminuisce lentamente con la distanza dall’aereo.
Uno studio condotto dall'Università di Reading ha evidenziato che attualmente gli aerei volano in cieli più agitati rispetto a quarant'anni fa. È quanto hanno scoperto gli scienziati dopo aver effettuato una nuova analisi che mostra come la turbolenza (CAT) sia aumentata con il cambiamento climatico.
Secondo i risultati dello studio, nell'area dell'Atlantico settentrionale - una delle rotte aeree più trafficate al mondo - la durata annuale totale delle turbolenze intense è aumentata del 55%, passando da 17,7 ore nel 1979 a 27,4 ore nel 2020.
La turbolenza moderata è aumentata del 37%, da 70,0 a 96,1 ore, e la turbolenza leggera è aumentata del 17%, da 466,5 a 546,8 ore. Questa tendenza è destinata ad aumentare con l'attuale riscaldamento.
Un altro studio mostra anche che la convezione tende a diventare più profonda sopra gli oceani (ODC = overshooting deep convection), il che potrebbe anche essere accompagnato da un aumento del rischio di turbolenza associato ai temporali in queste regioni.
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