I temporali: come si formano?

Come ogni anno – per lo più all’inizio di maggio, talvolta già in aprile – nei cieli svizzeri iniziano a formarsi le tipiche nuvole temporalesche: torreggianti, imponenti, accompagnate sovente da tuoni e fulmini. Ecco i primi temporali che attraversano, solitamente, da ovest e est la Svizzera. Come si formano? Quali sono le regioni svizzere più colpite? A queste ed altre domande sui temporali vogliamo rispondere con alcuni articoli.

I temporali fanno parte del nostro clima, svolgono un ruolo importante per il bilancio idrico, hanno un forte influsso sulla nostra natura e, sotto sotto, forse anche un po’ sulla nostra cultura. C’è chi li ama, ma anche chi li teme soprattutto per i danni materiali e finanziari che possono arrecare. Altri li inseguono per ore e notti intere con l’automobile e la videocamera; altri ancora invece li aggirano, come ad es. i piloti.

I temporali sono la gioia e, allo stesso tempo, la frustrazione dei meteorologi: costituiscono un fenomeno naturale impressionante a livello visivo, ma colpiscono per le loro molteplici forme e la loro dinamica anche sugli schermi e a livello di dati meteorologici. Le previsioni sui temporali talvolta diventano imprecise già dopo poche ore, nonostante l’impiego delle più moderne tecnologie. I fenomeni su piccola scala richiederebbero previsioni con un’elevata precisione spazio-temporale, ma proprio qui la meteorologia rivela i suoi limiti e deve limitarsi a indicazioni molto generiche, spesso insoddisfacenti per l’utente.

Definizioni

Dal punto di vista fisico le nubi temporalesche si distinguono dalle altre nuvole in quanto sono accompagnate da fulmini e tuoni. Quando i fulmini sono colti solo visivamente, e non sono accompagnati dal rumore del tuono, perché la nuvola si trova ancora molto lontana, il fenomeno è denominato lampo. Non appena la nube temporalesca è sufficientemente vicina e il tuono è percettibile acusticamente, dal punto di vista dell’osservazione meteorologica, si parla di temporale.

Fulmine…

In quanto fenomeno caratteristico di un temporale, il fulmine è il risultato di una serie di processi complessi che si svolgono su diverse scale spaziali: correnti turbolenti all’interno di una nube provocano collisioni tra particelle di gragnuola, grandine, ghiaccio e acqua. A livello microfisico questi scontri causano la separazione delle particelle caricate elettricamente secondo determinati schemi, che non sono sinora ancora del tutto noti in dettaglio. Le singole particelle hanno ognuna una carica elettrica specifica: i movimenti turbolenti e le attrazioni elettriche fanno sì che si creano delle aree all’interno della nuvola in cui si accumulano di preferenza le particelle con carica positiva rispettivamente negativa. La nuvola nel suo insieme diventa una struttura caratterizzata da due o più poli, fra i quali sussiste un campo elettrico che va intensificandosi con il passare del tempo. Tale campo elettrico sussiste anche fra la nuvola e il suolo. All’inizio l’aria tra le particelle cariche agisce efficacemente da isolante. Tuttavia, quando la differenza di potenziale elettrico tra i vari poli all’interno della nuvola diventa troppo elevata l’aria non riesce più a isolare e si verifica un vero e proprio “cortocircuito”. Nascono delle correnti che tramite percorsi ramificati e irregolari conducono all’abbattimento del potenziale elettrico fra le diverse parti della nuvola oppure fra la nuvola e il suolo. Queste correnti elettriche si scaricano in frazioni di secondi, riscaldando l’aria che si illumina: è nato il fulmine.

Schema (molto) semplificato di una nuvola temporalesca in cui le particelle cariche si accumulano in zone diverse. Nella realtà il numero e la disposizione delle cariche variano molto di caso in caso. La separazione dei portatori di carica avviene, tra l’altro, a seguito delle collisioni tra particelle di gragnuola e ghiaccio. A dipendenza del regime di temperatura, dopo la collisione le singole particelle hanno una carica positiva o negativa. In seguito sono trasportate, a seconda della loro massa, dalle correnti in diverse zone della nuvola, dove la carica positiva o negativa aumenta fino all’innesco del fulmine. Sono inoltre indicati i diversi tipi di fulmine (nube-nube, nube-suolo e suolo-nube) e le loro frequenze relative. Fonte: Dale Ward, University of Arizona -> http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring13/atmo336/lectures/sec2/lightning.html

... e tuono

Il tuono è il rumore provocato dalla rapida e violenta espansione dell’aria riscaldata a migliaia o decine di migliaia di gradi Celsius dal passaggio delle cariche elettriche, ossia dai fulmini. Nelle immediate vicinanze del temporale l’onda d’urto così generata è percepita come un violento botto. Esso si diffonde in modo radiale dal luogo in cui si è innescato il fulmine con una velocità del suono di circa 340 metri al secondo, indebolendosi e, con la distanza, si manifesta con un rumore più attenuato, sommesso o sordo – il tuono. Poiché l’attenuazione del suono è molto più grande di quella della luce, i tuoni si odono solo per alcuni chilometri, mentre i fulmini si vedono anche a decine di chilometri di distanza.

Come si sviluppano i temporali?

Sono sostanzialmente tre gli “ingredienti” necessari allo sviluppo di una nuvola temporalesca:

  • l’umidità, quale base per la formazione delle particelle di una nuvola;
  • un’instabilità (potenziale) per consentire sufficienti e forti movimenti (verticali) dell’aria;
  • un meccanismo di sollevamento per avviare la formazione della nuvola temporalesca.

Questo meccanismo di sollevamento è definito dai meteorologi anche “trigger” (innesco o grilletto, per analogia con il funzionamento di una pistola). Nelle giornate temporalesche anche la troposfera (la parte più bassa dell’atmosfera terrestre, dal suolo fino a una quota di 11-17 km) è effettivamente spesso “carica” poiché negli strati di aria più vicini al suolo si accumulano grossi quantitativi di umidità, sotto forma di invisibile vapore acqueo. Non ogni giorno però si sviluppano dei temporali. Infatti solitamente nella parte superiore della troposfera (oltre i 4 km di quota) le condizioni di temperatura e di umidità sono tali da “smorzare” la crescita ulteriore dei cumuli che si formano per ragioni termiche durante la giornata. Magari sussiste addirittura un’inversione termica. In pratica la parte superiore della troposfera agisce normalmente come un “coperchio” allo sviluppo dei cumuli. Per avere la formazione di un vero cumulonembo (la vera nuvola da temporale) non basta dunque che l’atmosfera sia “carica” al punto giusto, bensì che esista l’opportuno l’innesco, o appunto il grilletto come in una pistola.

Schema di due catene di processi che portano alla formazione di un temporale sull’esempio di una sezione trasversale Giura-Altopiano-Alpi. A sinistra un temporale già attivo produce aria fredda, che si diffonde lateralmente al livello del suolo sollevando, al suo passaggio ulteriore l’aria calda. Grazie a questa ulteriore spinta i cumuli inizialmente bassi riescono a oltrepassare l’inversione esistente e a crescere fino a formare una cella secondaria. A destra il movimento orografico: i venti di valle e quelli risalenti i pendii, provocati dalle variazioni termiche, sospingono l’aria verso l’alto lungo il massiccio montagnoso. Con il passare delle ore l’aria in costante innalzamento erode l’inversione in modo tale che nel corso del pomeriggio le torri temporalesche crescono letteralmente verso il cielo, come i funghi dal suolo.

I meccanismi d’innesco in Svizzera e in Europa

In Svizzera sono per lo più le montagne a fungere da innesco (o trigger). Il riscaldamento differenziato durante una giornata primaverile o estiva fra zone di pianura e zone di montagna porta allo sviluppo dei venti termici, che durante il giorno risalgono le vallate. Ciò porta a creare delle convergenze in particolare verso i rilievi, le creste e le vette, da cui poi si innescano i movimenti verso l’alto (poiché l’aria vero il basso non può muoversi, essendo impedita dalla presenza del terreno). Una volta che si formano le precipitazioni, interviene in una seconda fase un diverso meccanismo d’innesco: al di sotto delle nuvole temporalesche defluisce molta aria fredda che si distribuisce attorno alla base della nuvola temporalesca. Quest’aria fredda è in grado a volte di infilarsi sotto l’aria calda presente nelle zone circostanti sollevandola attivamente e dando vita a nuove celle temporalesche secondarie.

Su scala continentale l’innesco è favorito solitamente dalla presenza di fronti freddi oppure da fenomeni che avvengono nell’alta troposfera, in grado di creare dei “risucchi” verso l’alto dell’aria presente nella parte bassa della troposfera. A volte, anche se in misura minore, anche i sistemi di venti che si creano nelle regioni costiere o in prossimità dei grandi laghi possono innescare lo sviluppo di temporali.

Nelle giornate temporalesche questi elementi e processi hanno un’intensità che può variare fortemente nello spazio e nel tempo e interagiscono gli uni con gli altri. Per i meteorologi, come pure per i modelli numerici di previsione meteorologica, la corretta ponderazione di tutti questi fattori, al fine di elaborare una previsione precisa dello sviluppo di temporali, costituisce una grande sfida. Spesso l’evoluzione dei temporali su scala regionale e a corto termine può essere indicata solo vagamente, con un anticipo che può variare da poche ore a qualche giorno.

Per saperne di più

Film « Eclair_nuage_sol_slowmotion.avi »

Un filmato al rallentatore con 7000 immagini al secondo consente di riconoscere ciò che solitamente l’occhio non riesce a cogliere. La fase iniziale di un fulmine nuvola-suolo mostra numerose strutture fini; solo la scarica elettrica principale al termine del film è la manifestazione ottica del fulmine, riconoscibile per l’occhio umano.

à Link: www.nasa.gov/feature/goddard/2017/flashy-first-images-arrive-from-noaa-s-goes-16-lightning-mapper

I lampi visti da un’altra prospettiva: a bordo del nuovo satellite meteorologico GOES-16 dell’Ente nazionale americano per le attività spaziali e aeronautiche, la NASA, vi è anche una videocamera che rileva ogni lampo fornendo informazioni sull’attività di fulminazione e quindi sull’intensità di un temporale. Il satellite e i suoi strumenti sono attualmente in fase di test e calibrazione. La prossima generazione di satelliti meteorologici europei sarà dotata di uno strumento analogo a partire dal 2020.