Non solo il mare, anche la montagna ha le sue onde: origine della turbolenza atmosferica ad alta quota

di Maria Vittoria Guarino
Editor: Angelo Zinzi
Revisori Esperti: Ida Maiello, Vincenzo Capozzi
Revisori Naive: Daniela Zinzi, Salvatore Fruguglietti

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L’interazione tra masse d’aria in movimento e orografia innesca in atmosfera un movimento oscillatorio noto come onda di montagna (o orografica). La rottura delle onde di montagna è una delle cause della turbolenza atmosferica che gli aerei spesso incontrano ad alta quota. La difficoltà di prevedere il verificarsi di questo tipo di turbolenza e il fatto che essa si verifichi senza alcun indizio visivo (ragion per cui si parla di turbolenza in aria chiara) la rendono particolarmente insidiosa e pericolosa per la sicurezza in volo. Infatti, in condizioni atmosferiche favorevoli alla loro generazione e propagazione, le onde di montagna possono essere così forti da portare un aereo momentaneamente fuori controllo.

Il binomio “mare-montagna” è solitamente anticipatore di un aut aut, dalla scelta del luogo per le vacanze, passando per la contrapposizione estate-inverno, caldo-freddo ecc. Detto così, forse, “onde di montagna” può risultare un’espressione bizzarra, un termine su cui la mente si ferma a riflettere per identificare l’intruso e, soprattutto, per domandarsi: ma che sono, poi, queste onde di montagna?

La comune natura di acqua e aria molte volte sfugge, ma, esattamente come nel mare, anche in atmosfera esistono onde. Acqua e aria sono entrambi fluidi, ma la densità dell’acqua (approssimativamente 1000 Kg/m3) è circa 1000 volte maggiore di quella dell’aria al livello del mare (approssimativamente 1,225 Kg/m3).

Anche se generate da meccanismi differenti, le onde che si infrangono sul bagnasciuga, come quelle mostrate in Figura 1a e le onde che si formano in atmosfera, in Figura 1b, sono ritratte nello stesso processo di “rottura”. Rompendosi, queste onde liberano nel mezzo circostante (acqua o aria) tutta l’energia che esse trasportano. Non sorprende pensare che questo trasferimento e questo rilascio di energia da un luogo ad un altro siano da soli motivi abbastanza affascinanti (e rilevanti per lo studio della dinamica di oceani ed atmosfera) da rendere queste onde oggetto di attenti studi a cui sono dedicati interi libri.

Figura 1 - Onda marina (A) e atmosferica (B) a confronto. Entrambe queste onde, a causa della diversa velocità che caratterizza la cresta (più veloce) e il resto dell’onda, sono in procinto di rompersi (ossia crollare su loro stesse). Le onde atmosferiche nella seconda foto non sono onde orografiche, ma sono conosciute con il nome di onde di Kelvin-Helmholtz.

Figura 1 – Onda marina (A) e atmosferica (B) a confronto. Entrambe queste onde, a causa della diversa velocità che caratterizza la cresta (più veloce) e il resto dell’onda, sono in procinto di rompersi (ossia crollare su loro stesse). Le onde atmosferiche nella seconda foto non sono onde orografiche, ma sono conosciute con il nome di onde di Kelvin-Helmholtz. Fonti: A, B.

A differenza delle onde che increspano la superficie marina, spesso non è possibile visualizzare le onde che si propagano in atmosfera ma, in realtà, i nostri cieli ne sono pieni. I meccanismi che portano alla formazione di onde atmosferiche sono molti e vari e, di conseguenza, esistono diversi tipi di onde in atmosfera. Le onde di montagna (anche dette onde orografiche) si generano dall’interazione tra le masse d’aria e l’orografia. Quando le masse d’aria si muovono su terreni dove sono presenti rilievi orografici, questi ultimi forzano i flussi d’aria ad innalzarsi ed abbassarsi seguendo il profilo montuoso. Nell’animazione di Figura 2 la pallina rossa rappresenta il percorso di una singola particella d’aria che viene modificato dalla presenza di una montagna. L’energia che la particella acquisisce in questo su e giù viene trasferita alle particelle d’aria che si trovano negli strati superiori di atmosfera: queste ultime iniziano a muoversi seguendo il movimento ondulatorio generando un’onda che si propaga verso l’alto.

Quando l’atmosfera contiene abbastanza umidità, i cambiamenti di pressione provocati dalla propagazione di queste onde fanno sì che il vapore acqueo contenuto nell’aria condensi e formi una struttura di nuvole che rende visibile all’occhio umano la presenza delle onde orografiche. La foto in Figura 3 è stata scattata in California (Mt. Shasta): le onde orografiche che si propagano verso l’alto danno vita al particolare tipo di nuvola conosciuto col nome di “nube lenticolare”. Quello di Figura 3 è solo un esempio di come, palesandosi, le onde atmosferiche possano offrire uno spettacolo mozzafiato, dandoci l’opportunità di osservare qualcosa che al nostro occhio resterebbe altrimenti taciuto.

Figura 3 - Monte Shasta, California. La struttura di nuvole visibile appena sopra la montagna prende il nome di “nube lenticolare”, essa è il risultato del propagarsi verso l’alto delle onde di montagna.

Figura 3 – Monte Shasta, California. La struttura di nuvole visibile appena sopra la montagna prende il nome di “nube lenticolare”, essa è il risultato del propagarsi verso l’alto delle onde di montagna. Fonte. Photo by Kevin Lahey.

Il più delle volte, tuttavia, le onde orografiche si propagano non lasciando alcuna traccia visibile di sé, ed è questa loro caratteristica a renderle nemiche della sicurezza in volo. Quando sono presenti favorevoli condizioni atmosferiche (legate alla stratificazione termica dell’aria e al vento) e orografiche (legate alle caratteristiche morfologiche del rilievo montuoso) le onde di montagna, nel loro propagarsi, aumentano la propria ampiezza divenendo sempre più estese, in grado di trasportare sempre più energia e di modificare al loro passaggio significativamente l’ambiente circostante. Esattamente come succede ad un’onda marina, che una volta diventata troppo alta, crollerà su stessa rompendosi, le onde atmosferiche che si trovano in certe condizioni ritenute critiche si possono rompere. Quando un’onda atmosferica si rompe, tutta l’energia che essa trasporta viene rilasciata e localmente dissipata. La dissipazione dell’energia avviene il più delle volte tramite la generazione di turbolenza (movimenti caotici delle masse d’aria).

La rottura di onde orografiche è una delle cause (non la sola) della turbolenza atmosferica che gli aerei spesso incontrano a vari livelli di volo negli strati più alti di atmosfera. Questo tipo di turbolenza, anche se spesso non forte e intensa come quella che si può sperimentare volando in presenza di un temporale, è resa pericolosa dalla sua imprevedibilità. Proprio perché, come detto, queste onde sono invisibili, un aereo può volare dritto dentro ad una di queste regioni di turbolenza che scuoterà il velivolo senza alcun preavviso. Perciò, questo tipo di turbolenza è chiamata Clear-Air Turbulence (CAT) o turbolenza in aria chiara, poiché si verifica prevalentemente in aria priva di nubi ed in quota (tra i 6 ed i 10 km). In condizioni di vento favorevoli (vento incidente perpendicolare al profilo montuoso con una velocità di almeno 10 m/s), le onde di montagna riescono a propagarsi anche a centinaia di chilometri di distanza dal rilievo montuoso che le ha generate (questo è un fenomeno ben noto nei dintorni delle Montagne Rocciose) e, talvolta, la turbolenza che ne risulta può essere così forte da far perdere bruscamente quota ad un aereo in volo e portarlo momentaneamente fuori controllo.

La turbolenza dovuta alla rottura delle onde orografiche è molto difficile da prevedere poiché la ragione per cui l’ampiezza di queste onde può aumentare sino a provocarne la rottura è influenzata da molti fattori, taluni ancora oggi meno chiari di altri. Tra essi quelli maggiormente in grado di modificare il comportamento delle onde orografiche sono: intensità e direzione del vento (ed il loro variare o meno con la quota); altezza, larghezza ed orientazione del rilievo montuoso rispetto alla direzione del vento. Una giornata caratterizzata da vento forte, per esempio, dove è l’attrito tra le masse d’aria ed il suolo a dominare la dinamica dell’atmosfera, sarà probabilmente interessata dallo svilupparsi di questo tipo di onde; al contrario, in caso di vento debole, la generazione delle onde orografiche potrà essere secondaria e di minore importanza.

Contrariamente a quanto l’immaginario comune può suggerire, inoltre, alte e imponenti montagne (o intere catene montuose) sono tendenzialmente meno pericolose in termini di generazione di onde e quindi di turbolenza. Infatti, i più insidiosi e temibili rilievi sono montagne più piccole (alte fino ad 1 o 2 km) che il vento incidente può scavalcare con più facilità. In effetti, è intuitivo pensare che se il corpo montuoso è troppo alto il vento in arrivo non sarà in grado di fluire sopra di esso ma rimarrà bloccato alla base della montagna (in quel caso si parla di “stagnazione” delle masse d’aria) o tenterà di aggirare l’ostacolo se possibile (fluendo lungo i fianchi) piuttosto che passarci sopra. In entrambi i casi, se non c’è un flusso d’aria al di sopra del rilievo montuoso la generazione di onde è inesistente.

Sebbene quindi il meccanismo alla base della generazione delle onde orografiche è un processo ben conosciuto, quali siano le condizioni favorevoli alla loro generazione, propagazione ed eventuale rottura non è stato ancora totalmente compreso. Le tecniche a tutt’oggi utilizzate per prevedere l’esistenza e la rottura delle onde orografiche soffrono di questa incompleta conoscenza e, di conseguenza, risultano essere non sufficientemente accurate.

I piloti di aerei di linea (e non) sono debitamente a conoscenza dell’esistenza di queste onde e dei rischi che esse comportano, e l’imprevedibilità associata ad un incontro con tali onde è ben espressa in questo consiglio che un pilota esperto dà ad altri piloti:

As always, leave yourself an out if you start encountering waves. Although it may add some length to your trip, you could plan a route over lower terrain to give yourself a little more room between you and the ground. Ask ATC if there have been any reports of wave action and give PIREPS of any your encounter, for others to plan on.”

“Come sempre, sii prudente se inizi ad incontrare onde. Anche se questo dovesse rendere il tuo percorso un po’ più lungo, potresti pianificare una rotta su terreni più pianeggianti per lasciare un po’ più di spazio tra te e il terreno. Chiedi al controllo del traffico aereo (ATC) se ci sono stati altri rapporti sulla presenza di queste onde e fai un resoconto di ogni tuo incontro, così che altri possano sapere.”

Estratto da: Tecnica: guidare l’onda, articolo pubblicato sul sito dell’AOPA (Aircraft Owners and Pilot Association– Associazione di piloti e proprietari di aerei).

Info sui Revisori di questo articolo

Ida Maiello è postdoc presso il Centro di Eccellenza CETEMPS dell’Università dell’Aquila e docente di meteorologia generale e meteorologia aeronautica presso il Liceo Scientifico Paritario “G. D’Annunzio” di Corropoli, Teramo (IT).

Vincenzo Capozzi è studente di dottorato in Scienze del Mare, della Terra e del Clima presso l’Università di Napoli “Parthenope” (IT).

Daniela Zinzi è Corporate Clinical Research Therapeutic Area Head presso Menarini Ricerche

Salvatore Fruguglietti è tra i promotori di COm_unica, scuola di comunicazione (teatrale) della scienza e di CO_scienze, progetto contenitore di eventi di costruzione di cittadinanza europea (scientificamente) consapevole. Si occupa di metodologie per la formazione dei comunicatori della scienza e dell’interazione tra teatro e scienza e tra scienza e società.

About the Author

Maria Vittoria Guarino
Maria Vittoria si laurea in Scienze Ambientali presso l’Università del Salento nell’Ottobre 2013 con una tesi in Fisica dell’Atmosfera che l’ha portata a lavorare per alcuni mesi a Madrid (ES), presso il centro di ricerca CIEMAT. A Madrid, Maria Vittoria entra in contatto con il mondo della modellistica atmosferica e i suoi studi si concentrano sul primo strato dell’atmosfera, noto come strato limite planetario. Nell’Ottobre 2017 Maria Vittoria completa il dottorato in “Atmosphere, Oceans and Climate” presso il Dipartimento di Meteorologia dell’Università di Reading (UK). La sua tesi di dottorato è volta ad investigare, tramite l’utilizzo di modelli numerici, la dinamica delle onde atmosferiche di gravità conosciute come onde orografiche. Queste onde costituiscono uno dei meccanismi alla base della turbolenza atmosferica ad alta quota. Maria Vittoria lavora attualmente presso il British Antarctic Survey, a Cambridge (UK), come Earth System Modeller dove si interessa di simulazioni climatiche e di studiare la sensibilità della banchisa di ghiaccio in Antartide ai cambiamenti climatici. La sua passione per la scienza e la scrittura convergono nella scrittura scientifica.

1 Comment on "Non solo il mare, anche la montagna ha le sue onde: origine della turbolenza atmosferica ad alta quota"

  1. Articolo interessante…lo studio dei flussi d’aria e’ pieno di enigmi…e spero che si arrivi alla conferma della teoria…

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