I temporali

La nube temporalesca, conosciuta come cumulonembo, è certamente il fenomeno meteorologico che presenta i maggiori pericoli per il volo, non solo per gli aerei leggeri e/o non equipaggiati con determinati strumenti e impianti, ma anche per gli aerei pesanti e dotati delle più moderne apparecchiature.
Ne sono prova gli incidenti di cui sono stati vittime numerosi aerei di linea, fra i quali ricordiamo quelli occorsi a un Boeing 727 dell'Eastern Airlines in avvicinamento a New York, a un DC 9 della Southern Airlines in avvicinamento ad Atlanta, e a un Boeing 727 della Continental Airlines in decollo da Denver.
Tutti e tre gli incidenti ebbero luogo mentre sulle rispettive zone c'era intensa attività temporalesca in corso, e nonostante il fatto che tutti e tre gli aerei fossero dotati dei radar meteo più sofisticati.
Come avremo modo di dire più avanti, in un temporale si incontrano praticamente tutti i fenomeni che sono pericolosi per il volo:
dalla turbolenza alla grandine,
dalle formazioni di ghiaccio al wind shear,
dalle scariche elettriche alle violente precipitazioni.

Perchè un temporale si possa formare, è indispensabile la concomitanza di diversi fattori.
Innanzitutto l'aria deve essere instabile o condizionalmente instabile (ricordiamo che una massa d'aria è instabile quando il suo gradiente termico verticale è maggiore del gradiente adiabatico secco, pari a 1°C ogni 100 metri di quota, mentre è condizionalmente instabile quando il suo gradiente termico verticale è minore del gradiente adiabatico secco, ma è maggiore del gradiente adiabatico saturo, il cui valore è variabile in funzione della temperatura e dell'umidità).
In una massa d'aria instabile, quando una causa esterna qualunque innesca un moto ascensionale, esso continua autonomamente con velocità via via crescente fin quando perdurano le condizioni di instabilità, e può così dare origine a una nube a sviluppo verticale.
Per la formazione di un temporale è perciò necessaria una causa esterna che dia l'avvio al moto verticale dell'aria instabile.
Tale causa può essere il surriscaldamento di una porzione di terreno che innesca un moto convettivo;
oppure l'incontro di una brezza o di un vento con il pendio di un rilievo;
oppure l'incontro di due masse d'aria di temperatura diversa, durante il quale la più calda è costretta a sormontare la più fredda.
Inoltre l'aria deve essere sufficientemente umida per dar luogo alla nube cumuliforme.
Dal momento in cui inizia il moto ascensionale, l'aria si raffredda in ragione di 1°C ogni 100 metri di quota guadagnata.

Al raggiungimento della quota alla quale la temperatura dell'aria uguaglia il valore della temperatura di rugiada, comincia la condensazione dell'umidità e si forma perciò la base della nube.
Da questo momento il moto ascensionale prosegue ancor più vigoroso grazie all'energia termica fornita all'aria dall'umidità, che, cambiando stato, cede il suo calore latente di condensazione (589 chilocalorie per ogni chilogrammo di acqua che condensa alla temperatura di 15°C).
Il moto ascensionale si arresta solo alla quota alla quale l'aria diventa stabile.
La quota massima alla quale può arrivare una nube a sviluppo verticale è fissata dalla tropopausa, in coincidenza della quale il gradiente termico verticale si azzera e al di sopra del quale, perciò, l'aria è permanentemente stabile.

Durante la loro evoluzione, i temporali passano attraverso a tre successivi stadi, illustrati
dalla figura 1:lo stadio di formazione del cumulo;


dalla figura 2:lo stadio di maturazione;

dalla figura 3:lo stadio di dissolvimento.


Durante lo stadio di formazione del cumulo, la nube si gonfia e cresce verticalmente sotto l'azione della corrente ascensionale, la cui velocità può anche superare i 15 metri al secondo.
Inizialmente le gocce d'acqua sono molto piccole, ma la loro dimensione cresce per aggregazione man mano che cresce la nube.

Sotto l'azione combinata del loro peso che le trascina verso il basso, e della corrente ascendente che le riporta in alto, sia le gocce sia le particelle d'aria che le circondano, vanno soggette a numerosi sfregamenti reciproci, i quali ne provocano la ionizzazione;
in conseguenza cominciano le scariche elettriche, di cui sono visibili i lampi e udibili i tuoni.
L'aria ascendente può trascinare grosse gocce d'acqua al di sopra della quota dello zero termico, dove cominciano a formarsi i chicchi di grandine.
Quando diventano troppo pesanti le gocce (o i chicchi) cominciano a cadere.
La pioggia fredda trascina con se dell'aria, creando una corrente fredda discendente che coesiste con quella ascendente.
A questo punto, la cellula temporalesca ha raggiunto la maturazione e l'inizio delle precipitazioni ne è il segnale.
La presenza della pioggia fredda nella corrente discendente ne tiene bassa la temperatura, che altrimenti tenderebbe a salire per il riscaldamento adiabatico dovuto alla compressione durante la discesa, e pertanto la corrente discendente si mantiene a temperatura molto minore di quella dell'aria circostante, cosicchè la sua velocità discensionale aumenta e può arrivare a superare i 12 metri al secondo

Un segnale premonitore
Quando urta il suolo, questa violenta corrente discendente si espande lateralmente dando luogo alla cosiddetta prima raffica, che è un segnale premonitore della precipitazione che la segue dopo pochi minuti.
Il continuo afflusso di aria fredda dalla nube verso il suolo insieme alle precipitazioni da luogo alle forti discendenze e ai violenti venti a raffiche turbolente che accompagnano tradizionalmente i temporali.
Nel frattempo, la corrente ascensionale raggiunge il massimo della sua intensità, con velocità che possono superare i 30 metri al secondo.
Tutti i pericoli per il volo raggiungono la loro massima intensità durante lo stadio maturo della cellula.
Lo stadio di dissolvimento è caratterizzato da correnti discendenti che portano rapidamente la cellula a esaurimento.
Questo terzo stadio è da considerare ultimato, e con esso il temporale, quando le precipitazioni e la corrente discendente sono completamente cessate.
A questo punto, la nube che rimane non rappresenta più pericolo per il volo.
Durante lo stadio di dissolvimento, la sommità della nube assume spesso la caratteristica forma di incudine.
I temporali possono essere classificati in due grandi famiglie:
i temporali di massa d'aria, o di calore,
e i temporali di natura frontale.
I primi sono generati dal riscaldamento diurno della superficie del terreno o, in montagna, dall'incontro del vento con i pendii.
I temporali di calore si formano prevalentemente durante le ore pomeridiane, e la loro durata oscilla mediamente fra i venti minuti e l'ora e mezzo.

I secondi sono generati dall'innalzamento dell'aria più calda durante il movimento di un fronte.
Dato che si spostano col fronte che li genera, questi temporali possono durare anche diversi giorni, e, prima di esaurirsi, possono coprire distanze di migliaia di chilometri.
Quando un fronte si muove velocemente e le condizioni di umidità e instabilità dell'aria sono propizie, davanti al fronte si può formare una linea di temporali molto violenti, conosciuta col nome di linea di groppo (squall line).
Le linee di groppo sono particolarmente pericolose per il volo, perchè la loro grande estensione non ne consente l'aggiramento.
La violenza di un temporale può variare entro limiti molto ampi, e viene quantificata in base alla virulenza di alcuni dei fenomeni associati al temporale stesso.
Secondo il NSSFC (National Severe Storm Forecast Center), che è un centro meteorologico appositamente istituito negli Stati Uniti per prevedere la formazione dei temporali, viene classificato come estremamente violento ogni temporale accompagnato da venti al suolo di 50 nodi o piu, e/o da grandine con chicchi di 20 millimetri di diametro o più, e/o da tornado.

La violenza dei temporali è spesso legata a uno dei seguenti fattori:
- La natura della superficie e la conformazione geografica dell'area sulla quale si forma il temporale. Per esempio, i temporali delle zone molto umide sono generalmente meno violenti di quelli che riescono a formarsi sulle zone aride.
Un altro aspetto orografico importante è l'esistenza di grandi distese di terreno pianeggiante, come ad esempio la parte centrale degli Stati Uniti compresa fra i Monti Appalachiani e le Montagne Rocciose.
Su queste distese, in certe stagioni dell'anno, si vengono a formare vaste zone di depressione sovrastate da profonde saccature in quota.
Le zone depressionarie richiamano aria calda e umida dalle regioni costiere (il Golfo del Messico nel caso degli Stati Uniti), mentre le saccature in quota convogliano sopra di essa l'aria fredda e secca delle correnti a getto.
L'insieme di questi ingredienti innesca spesso temporali di estrema violenza.
- L'altezza della nube temporalesca.
Secondo uno studio condotto dal NSSFC, quando le nubi temporalesche non superano i 30.000 piedi, solo una su tre contiene fenomeni di estrema violenza, mentre la percentuale di massimo rischio sale al 60 per cento nelle nubi che raggiungono i 40.000 piedi, e supera l'80 per cento se le nubi raggiungono i 50.000 piedi.
Questa è la ragione principale per cui i temporali delle zone tropicali, dove la tropopausa raggiunge i 65.000 piedi, sono in genere più violenti di quelli che si formano a latitudini maggiori.
- La velocità di spostamento della nube temporalesca.
Quanto più velocemente si sposta il temporale, tanto maggiore è la sua violenza.
Cio è spiegato col fatto che, all'interno di un cumulonembo che trasla orizzontalmente, le correnti ascendenti e discendenti interferiscono fra di loro molto meno che non quando il temporale è stazionario e perciò la loro velocità verticale raggiunge valori elevatissimi.
Per questa ragione, i temporali di massa d'aria, che quasi sempre stazionano sulla stessa zona in cui si formano, sono generalmente meno violenti dei temporali associati alle attività frontali, i quali sono quasi sempre molto veloci.

Fenomeni pericolosi
Passiamo ora in breve rassegna i fenomeni pericolosi per il volo presentati dai temporali.
La turbolenza.
Quando un aereo incontra delle raffiche, siano esse orizzontali o verticali, la sua struttura va soggetta a sollecitazioni la cui intensità varia in modo direttamente proporzionale alla velocità di volo e alla velocità delle raffiche e in modo inversamente proporzionale al peso dell'aereo.
Se le sollecitazioni superano il fattore di carico massimo consentito, le strutture dell'aereo possono subire deformazioni permanenti anche gravissime;
se poi le sollecitazioni inducono fattori di carico maggiori del fattore di robustezza, la struttura dell'aereo può letteralmente andare a pezzi.
La velocità delle raffiche presenti nei temporali più violenti è tale da far superare il fattore di robustezza anche agli aerei più pesanti, pur se mantenuti alla velocità raccomandata per il volo in turbolenza.
Il superamento del fattore di carico limite è spesso involontariamente indotto dal pilota quando manovra bruscamente nel tentativo di mantenere una determinata quota e/o una determinata velocità.
Volando in forte turbolenza, è invece consigliabile limitarsi a mantenere l'assetto, accettando ogni variazione di quota e velocità, anche se molto pronunciata.
Fra i pericoli del temporale, la turbolenza è universalmente considerata il numero uno.

La grandine.
A volte può essere formata da chicchi dalle dimensioni di un uovo e può essere in grado di provocare danni gravi alle strutture di un aereo in volo.
La parte più vulnerabile alla grandine è il parabrezza, la cui rottura può avere conseguenze catastrofiche soprattutto per l'enorme aumento della resistenza provocato dall'aria che entra in cabina.
Va tenuto presente che la grandine, oltre che dentro e sotto la nube, può essere incontrata anche a notevole distanza dal temporale.
Le forti correnti ascensionali possono infatti catapultare la grandine al di sopra della sommità del cumulonembo e il vento la può portare a cadere fino a 20 miglia davanti alla nube temporalesca.

I fulmini.
Fino ad alcuni anni fa, trattando dei pericoli per il volo provocati dai fulmini, era luogo comune sostenere che la corrente portata da un fulmine attraversa la struttura dell'aereo lasciando tuttalpiù qualche piccolo foro nel rivestimento.
Gli aerei metallici sono infatti ottimi conduttori, per cui, si sosteneva, non c'è motivo per i piloti di allarmarsi troppo:
il fulmine porta con sé il lampo di luce che acceca momentaneamente e il fragore del tuono, ma poi se ne va così com'è venuto.
Ma gli studi condotti di recente, in seguito ad alcuni incidenti occorsi ad aerei di linea e a trasporti militari disintegratisi in volo per l'esplosione dei serbatoi, hanno messo in evidenza
che le conseguenze dei colpi di fulmine vanno ben oltre il momentaneo accecamento del pilota. Secondo i risultati degli studi e degli esperimenti condotti nei laboratori della NASA, i principali
pericoli incontrati da un aereo colpito dal fulmine sono i seguenti:
1 L'incendio del carburante nei serbatoi in seguito allo scintillio provocato dal passaggio della scarica elettrica fra il tappo e la parete del serbatoio.
Il problema viene in parte risolto usando tappi di materiale non conduttore, i quali fanno sì che le eventuali scintille si scarichino lungo il rivestimento esterno.
L'incendio può però essere innescato anche dalla fusione dei cavi elettrici che attraversano l'ala in prossimità dei serbatoi.
2 L'avaria totale dell'impianto elettrico,dovuta alla fusione dei cavi quando vengono sottoposti a punte di corrente di intensità estrema.
Per proteggere l'impianto elettrico, i cavi vengono schermati e fatti correre lungo gli elementi principali della struttura metallica dell'aereo, ma ciò non elimina completamente il pericolo.
3 La messa fuori uso dell'avionica, che può avvenire sia per il danneggiamento delle antenne, sia per il danneggiamento degli apparati.
Particolarmente vulnerabile e l'avionica moderna transistorizzata e a display digitale, la quale funziona con correnti di bassissima tensione.
Contro le sovracorrenti indotte dai fulmini, i fusibili sono inefficaci,perché, quando scattano, la scarica ha già prodotto i suoi effetti devastatori.

4 L'interferenza dei campi elettromagnetici generati dalle scariche elettriche può far impazzire le bussole e lasciare così il pilota senza indicazioni di prua attendibili.
5 L'onda d'urto generata dal fulmine sottopone l'aereo a sovrapressioni notevoli, che ne possono deformare la struttura e possono indurre lo stallo dei compressori dei motori a turbina.
6 Il fulmine può asportare pezzi di pala dalle eliche, e quindi indurre pericolosissime vibrazioni nel castello motore e nella struttura dell'aereo.
Oltre ad applicare gli accorgimenti già citati, i costruttori cercano di rendere gli aerei meno soggetti ai pericoli dei fulmini, collegando elettricamente fra di loro le varie parti di un aereo, in modo da metterle a massa ed eliminare così le superfici isolanti costituite dalle numerose intercapedini esistenti fra un pezzo e l'altro.
Infatti, qualora l'aereo fosse costruito in un solo pezzo di alluminio, effettivamente la corrente del fulmine lo potrebbe attraversare senza creare grossi problemi.
Particolari norme di certificazione vengono imposte per gli aerei che impiegano materiali compositi, i quali sono pessimi conduttori elettrici, e per gli aerei comandati col sistema "fly-by-wire", sui quali le superfici di controllo vengono azionate da impulsi elettrici anziché tramite i collegamenti meccanici tradizionali.
I piloti, oltre a mantenersi a rispettosa distanza dai temporali, possono fare ben poco per evitare di essere colpiti dai fulmini.
Tuttavia, possono sovente venire avvertiti del prossimo arrivo di un fulmine da alcuni segni premonitori.
Innanzitutto, è stato riscontrato che i fulmini colpiscono gli aerei con molta maggior frequenza quando la temperatura dell'aria è compresa tra 0°C e -5°.
Inoltre, la presenza di disturbi e rumori di fondo provenienti dall'audio degli apparati radio è un segno evidente che l'aereo ha accumulato elettricità statica, molto spesso indotta dallo sfregamento delle precipitazioni sulle sue superfici.

Il “fuoco di S. Elmo"
Un altro segno che l'aereo è elettricamente carico, e quindi pronto a ricevere una scarica, è costituito dalla comparsa del "fuoco di S.Elmo", ben visibile di notte.
Si tratta infatti di una luminescenza bluastra, che avvolge in special modo le estremità dell'aereo, essendo queste le parti che maggiormente comprimono e intensificano il campo elettrico.

Le formazioni di ghiaccio.
Questo fenomeno non è limitato alle nubi temporalesche, ma nei cumulonembi si manifesta con la maggiore frequenza e con la maggiore intensità.

Le precipitazioni.
Forse il maggior problema presentato agli aerei dalle precipitazioni violente è il possibile spegnimento dei motori,specialmente se a turbina (flame out), causato dall'ingestione di forti quantità di acqua.
Durante il volo sotto forti precipitazioni, i piloti degli aerei equipaggiati con motori a turbina dovrebbero lasciare continuamente inserito il sistema di accensione, mentre quelli coi motori
a pistoni dovrebbero azionare l'aria calda al carburatore o l'aria alternata.
Inoltre, la pioggia battente ha effetti aerodinamici fortemente negativi.
Uno studio eseguito dalla NASA ha messo in evidenza che l'accumulo d'acqua sui profili di un aereo, nei casi estremi, può indurre un calo della portata dell'ordine del 30 per cento, e un aumento della resistenza dell'ordine del 20 per cento, il tutto accompagnato da un aumento
del peso dell'ordine del 2 per cento.
Le precipitazioni associate a un temporale si trovano quasi sempre nelle zone del cumulonembo in cui l'attività convettiva, e quindi la turbolenza, è più intensa.
Graziea questo fatto, e grazie alla proprietà che hanno le precipitazioni di riflettere le onde elettromagnetiche di determinata frequenza, il radar meteorologico è in grado di individuare la posizione dei temporali e delle loro zone più virulente permettendo così ai piloti di evitarle.
Quanto più intense sono le precipitazioni, tanto più forte è l'eco ricevuta dal radar, misurata in decibel di "rumore elettromagnetico" riflesso (dBz).

Il wind shear.
Il wind shear, o gradiente del vento, è il rateo di variazione del vettore vento in intensità e/o direzione nell'unità di distanza.
La distanza entro cui avviene la variazione può essere presa orizzontalmente o verticalmente, ragione per cui il wind shear può essere orizzontale o verticale.
Il wind shear orizzontale si verifica, per esempio, quando un aereo riceve una raffica di vento in prua o in coda.
Nel primo caso il wind shear provoca un riduzione delle prestazioni dell'aereo, in quanto ne riduce la velocità all'aria e ne provoca quindi uno sprofondamento, che per essere contrastato richiede un aumento di potenza e/o di incidenza.
Nel secondo caso, invece, il wind shear provoca un aumento delle prestazioni dell'aereo, in quanto ne aumenta istantaneamente la velocità.
Ovviamente, il wind shear che riduce le prestazioni e il più pericoloso, specialmente quando si verifica in prossimità del terreno.
ll wind shear verticale si verifica quando un aereo incontra una corrente discendente o ascendente.
È evidente che nel primo caso il wind shear riduce le prestazioni dell'aereo, in quanto gli fa perdere quota ed è quindi più pericoloso che non nel secondo caso, quando gliene fa guadagnare.
Il wind shear è sempre esistito, ma la sua pericolosità nei confronti del volo ha potuto essere messa in evidenza solo recentemente con l'avvento dei Flight Data Recorder (registratori dei dati di volo, cioè le famose scatole nere) installati sugli aerei di linea.
Prima non c'era modo di provare la concorrenza degli effetti del wind shear negli incidenti di volo e la colpa veniva generalmente attribuita ai piloti che "avevano perso il controllo della macchina".