Elementi di Meteorologia Aeronautica

 

Fenomeni Pericolosi  per il volo

 

La meteorologia aeronautica è la scienza che descrive i fenomeni meteorologici pericolosi per il volo.

Questi sono:

•         La Turbolenza

•         Il Wind Shear

•         I Temporali e le Precipitazioni

•         L’Icing (o Ghiacciamento)

•         La Riduzione della Visibilità (nebbia)

•         Le Eruzioni Vulcaniche

 

La Turbolenza e Il Wind Shear

Dal punto di vista aeronautico sono considerati due fenomeni distinti, ma sono in realtà l’una l’effetto e l’altro la causa dello stesso fenomeno: la deviazione indesiderata dell’aereo dalla propria traiettoria di volo con sobbalzi e scossoni (turbolenza), provocata da rapida variazione in direzione e/o intensità del vento (wind shear).

Per consuetudine la turbolenza è considerata un fenomeno negativo in tutte le fasi di volo, il wind shear è considerato negativo solo a bassa quota.

 

Definizione di Turbolenza

Secondo l’ICAO la turbolenza è l’insieme di scossoni cui è soggetto un aereo in volo quando incontra correnti ascendenti, discendenti o raffiche di vento. Questa definizione è basata sulle sensazioni dell’equipaggio e dei passeggeri, dipende dal tipo e dallo stato dell’aereo e dalla reazione del pilota.

 

Classificazione delle Turbolenze

Come per la definizione, anche la classificazione è basata sulle reazioni del velivolo.

In funzione della sua intensità essa è divisa in:

•      Leggera (Light), con momentanee e leggere variazione di assetto e quota dell’aereo, che però non comportano difficoltà nel mantenere la traiettoria e la quota di volo.

•      Moderata (Moderate), con variazioni di assetto più intense che tuttavia non condizionano la condotta del volo.

•      Forte (Severe), con ampie, repentine e brusche variazioni di assetto e quota; il velivolo risulta fuori controllo e può subire leggeri danni strutturali.

•      Estrema (Extreme), nella quale l’aereo, violentemente sbattuto e totalmente incontrollabile, subisce gravi danni strutturali.

 

 

In base ai fenomeni meteorologici che la producono,essa è divisa in:

•         Convettiva, generata dai temporali;

•         Meccanica, generata dall’incontro delle correnti d’aria con gli ostacoli del terreno;

•         Turbolenza in Aria Chiara (CAT), generata dall’energia del flusso dell’aria;

•         Turbolenza di Scia, non è un fenomeno meteorologico, ma i suoi effetti sono analoghi a quelli della turbolenza meteorologica.

 

La Turbolenza Convettiva

E’ prodotta dalla coesistenza delle correnti ascendenti e discendenti generate dai moti convettivi.

L’attività convettiva è maggiore nelle ore più calde del giorno (specialmente d’estate) e sui terreni montuosi o collinosi. La presenza delle correnti ascendenti è segnalata dalle nubi cumuliformi; se essa dà luogo alla formazione di cumulonembi, la turbolenza sviluppatasi diventa violentissima non solo sotto la nube ma anche sotto la base e tutto intorno, per un raggio che può raggiungere le 20 NM.

 

La Turbolenza Meccanica

E’ generata dall’incontro delle correnti d’aria con gli ostacoli del terreno oppure dallo scorrimento tra due correnti d’aria di diversa velocità e/o direzione; in questi casi, sottovento al flusso dell’aria, si possono formare dei vortici dovuti alla rottura del flusso laminare, i quali generano turbolenza.

 

Tale turbolenza è provocata anche dalle onde di montagna o orografiche (MTW), le quali si formano quando il flusso del vento incontra una catena montuosa.

Si formano più facilmente quando:

 

•      La direzione del vento è perpendicolare alla catena montuosa;

•      Lo strato di aria è stabile al livello della catena;

•      La velocità del vento è di almeno 25 KTS e in aumento con la quota;

 

Se l’aria è umida le MTW sono rese visibili dalle caratteristiche nubi associate:

•      Nubi lenticolari;

•      Nubi di rotore (su creste di particolare ampiezza).

 

 

Turbolenza in Aria Chiara

E’ un tipo di turbolenza da scorrimento che si incontra quasi sempre solo ad alta quota, che si manifesta in un’aria priva di nubi.

I fenomeni meteorologici ad essa associati sono:

•      La Corrente a Getto (Jet stream), una forte corrente in quota concentrata lungo un’asse quasi orizzontale, caratterizzata da un forte vento;

•      Saccature e Depressioni in quota, che possono portare variazioni di vento ai loro bordi e dunque turbolenza;

•      Le onde orografiche.

 

Turbolenza di Scia

Generata da vortici controrotanti prodotti alle estremità alari, che si allargano con rotazione opposta; questi vortici raggiungono diametri di grandezza dell’apertura alare.  

   

Il Wind Shear

Secondo l’ICAO, il wind shear è una variazione nella direzione e/o velocità del vento, includendo correnti ascendenti o discendenti. E’ distinto in orizzontale e verticale. L’ICAO prevede una classificazione in quattro parti a seconda dell’intensità:

•      Leggero (Light), tra 0-4 KTS

•      Moderato (Moderate), tra 5-8 KTS

•      Forte (Strong), tra 9-12 KTS

•      Severo (Severe), >12 KTS

 

In base alla persistenza, il wind shear è classificato in:

•      Non transitorio, quando la sua durata è nell’ordine delle ore, ed è associato a fronti, fronti di brezza e onde orografiche;

•      Transitorio, quando la sua intensità è maggiore e la durata è nell’ordine dei minuti; è più pericoloso, la sua scala spaziale è nell’ordine dei metri, è difficile da prevedere e da segnalare ed è associato a nubi temporalesche o convettive.

 

Cause del Wind Shear

Il wind shear è storicamente associato alle forti correnti discendenti presenti al di sotto delle nubi temporalesche, ma essendo una variazione di vento, si può verificare anche in altri fenomeni meteorologici.

 

E’ causato dal moto di masse d’ aria con differente velocità che vengono a contatto tra loro, ovvero da diverse accelerazioni di masse d’ aria vicine; l’orografia del sito può essere determinante.

 

Le sorgenti significative del wind-shear sono principalmente tre:

•      Correnti d’ aria a basso livello ( low level jet );

•      Zone frontali di transizione a scala sinottica (synoptic scale frontal zone);

•      Raffiche da fronti temporaleschi (thunderstorm gust from).

 

Wind Shear Orizzontale

E’ una rapida variazione della componente longitudinale del vento.

 

Si può trovare:

Nel fronte delle raffiche associato ai temporali;

       - la discesa delle precipitazioni dal Cb trascina con sé una colonna di aria fredda.

       - l’aria impatta con il suolo e si espande lateralmente (forma il fronte delle raffiche).

       - il fronte s’incunea sotto l’aria calda richiamata dal basso dal Cb.

       - lungo la linea del fronte l’aereo incontra forti variazioni di vento.

 

Attraversando un fronte freddo:

       - in questo caso la superficie frontale è tuttavia più spessa, e l’aereo ha il tempo di adattarsi alla variazione incontrata.

 

Nel flusso del vento attorno a ostacoli notevoli:

 - edifici o altre costruzioni lungo la pista possono creare una “zona d’ombra” per il flusso del vento

 - l’orografia locale può provocare variazioni brusche del flusso del vento dominante (aeroporto Palermo Punta Raisi, dove la presenza del monte a ridosso dell’aeroporto, in caso di Scirocco, provoca episodi di wind shear di forte intensità).

 

In altre situazioni di discontinuità:

 - scorrimento reciproco tra correnti d’aria; la diversità di direzione e/o intensità delle correnti genera wind shear.

 

Nei fronti delle brezze:

 - la transizione tra il vento di brezza e il vento dominante al suolo può generare wind shear.

 

Fronte delle Raffiche

    

Wind Shear Verticale

E’ dato da ogni incontro con correnti ascendenti o discendenti.

L’origine delle correnti discendenti più intense può essere:

•      Orografica (MTW e Foehn)

•      Convettiva (temporali)

Le correnti discendenti più violente sono quelle associate alle celle temporalesche: vengono classificate in downburst e microburst a secondo della loro estensione orizzontale

 

Downburst e Microburst

Downburst: generalmente associate ai temporali, hanno un diametro di 3-4 NM in quota e 15 NM in prossimità del suolo.

 

Microburst: associate a violenti temporali o a forti rovesci da TCU (cumuli a torre).

•      Possono trovarsi anche sotto le nubi verticali non ancora allo stato di maturazione.

•      Possono essere associata a virga (pioggia che evapora prima di toccare il suolo).

•      Il diametro è inferiore di 2 NM.

•      Sono state osservate anche discendenze di velocità maggiori di 1800 ft/min a 200 ft GND.

 

Microburst

Effetti del Wind Shear sugli Aeromobili 

   

La pericolosità del wind shear dipende da:

 - tipo di aereo

 - fase di volo

 - scala e durata del wind shear

 - intensità del wind shear

 

Il più pericoloso è il LLWS ( Low Level Wind Shear).

Si verifica quando il wind shear si presenta nei primi 600 metri:

 - lungo il sentiero di avvicinamento

 - nella fase terminale di atterraggio

 - nella fase iniziale di decollo

 

Effetti del Wind Shear Orizzontale e Verticale

 

Gli effetti del wind shear orizzontale sono:

 

una diminuzione e/o un aumento del vento di testa e/o di coda,che provocano:

 -  riduzione della portanza;

•      abbassamento del sentiero di avvicinamento o di decollo.

 

un aumento del vento di testa o una diminuzione del vento di coda provocano:

 -  aumento della portanza;

 -  innalzamento del sentiero di avvicinamento o di decollo.

 

Gli effetti del wind shear verticale sono:

una diminuzione dell’angolo che porta ad una diminuzione di portanza

 -  abbassamento della traiettoria dell’aereo.

 

I Temporali

Il temporale è una perturbazione locale caratterizzata da:

•      Nubi del tipo cumulonembo;

•      Breve durata;

•      Fenomeni elettrici;

•      Forti raffiche di vento;

•      Violente correnti verticali;

•      Rovesci di pioggia o grandine.

All’interno del temporale si possono produrre tutti i fenomeni meteorologici pericolosi per il volo:

•      Turbolenza e wind shear;

•      Ghiaccio;

•      Riduzione di visibilità.

 

 

Condizioni favorevoli alla formazione dei Temporali

Le condizioni favorevoli alla formazione dei temporali sono:

•      La presenza di aria umida in uno strato considerevole;

•      La presenza di un meccanismo di sollevamento dell’aria, che può essere:

 - orografico; l’aria è costretta a salire in presenza di rilievi montuosi.

 - frontale; l’aria sale perché sospinta da altra aria che la scalza.

 - convergenza; l’aria converge in un punto ed è costretta a salire.

 - termico; l’aria a contatto con il suolo, più calda di quella circostante, è più leggera e sale verso l’alto.

•      Aria instabile:

 - la diminuzione della temperatura con la quota dell’atmosfera è superiore a quella della particella d’aria che si solleva; essa sarà sempre più calda dell’aria circostante e continuerà a salire, e tenderà a formare una nume a forte sviluppo verticale.

 

Tipi di Temporale

Sono abitualmente divisi in temporali di massa d’aria e temporali frontali, a seconda del meccanismo che porta alla loro formazione.

Temporali di massa d’aria:

•      Sono prevalentemente di tipo convettivo;

•      Sono dovuti al riscaldamento del suolo da parte del sole;

Temporali frontali:

•      Sono più frequenti nei fronti freddi che in quelli caldi;

•      Si possono formare anche davanti al fronte (temporali prefrontali);

 

Temporali di Massa d’Aria

Possono essere composti da una o più celle temporalesche: il diametro di ciascuna cella è inferiore a 10 Km. Lo sviluppo di una singola cella avviene in tre fasi, dette ciclo vitale del temporale:

•      La fase di formazione di cumulo

•      La fase di maturità o di massimo sviluppo

•      La fase di dissolvimento

Il ciclo vitale di ciascuna cella dura mediamente

 1-2 ore.

 

Ciclo vitale del Temporale

•      Fase di formazione, o di cumulo, caratterizzata dalla formazione della nube temporalesca, inizialmente TCU, nella quale prevalgono le correnti ascendenti.

•      Fase matura:

 - inizia con la precipitazione

 - è caratterizzata dalla presenza di lampi e tuoni

 - la circolazione all’interno della nube è ben organizzata e presenta correnti ascendenti associate a correnti discendenti

      In questa fase si presentano il “Gust front” e le forti correnti discendenti (microburst)

      È la fase più pericolosa per il volo

•      Fase di dissipazione: è caratterizzata da sole correnti discendenti

    

La Nube Temporalesca

E’ certamente il fenomeno meteorologico più pericoloso per il volo per aerei di qualunque dimensione.

Sebbene la maggior parte delle nubi a sviluppo verticale non riescano a maturare e a diventare temporali, ogni temporale nasce da un cumulo.

Durante lo stadio di formazione del cumulo, la nube si gonfia e cresce verticalmente sotto l’azione della corrente ascensionale, la cui velocità può superare i 15 m/sec.

Inizialmente le gocce d’acqua sono piccole ma per l’aggregazione il loro volume cresce a mano a mano che cresce la nube. Sotto l’azione combinata del loro peso e della corrente ascendente (basso-alto), le gocce sono sottoposte a continui sfregamenti reciproci, visibili attraverso lampi e udibili attraverso i tuoni.

L’aria ascendente riesce a trascinare grosse gocce d’acqua al di sopra della quota dello zero termico, dove si formano i granuli di grandine; quando diventano troppo pesanti, cadono.

Durante la discesa, la pioggia fredda trascina con sé una grande quantità d’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.

 

Sistemi per Evitare i Temporali

Volando in VFR i temporali si possono evitare perché si vedono.

Volando in IFR, invece, per vederli ed evitarli si necessita di un radar meteo o dello STORMSCOPE.

Mediante una semplice antenna a telaio (come quella dell’ADF) lo STORMSCOPE è in grado di captare l’energia elettromagnetica emessa dalle scariche elettriche dei temporali. Rappresentando sullo schermo la posizione delle scariche rispetto all’aereo consente al pilota di vedere dove si trovano i temporali anche quando vola nelle nubi.

 

Le Precipitazioni

Le precipitazioni sono l’insieme di particelle d’acqua, liquide o solide, che cadono dalle nubi fino al suolo.

A seconda della loro intensità sono classificate deboli, moderate o forti.

A seconda della loro durata nel tempo sono classificate come continue o intermittenti.

Fanno parte delle Precipitazioni:

•      Pioggia e pioviggine; si distinguono per dimensione delle gocce (goccioline di pioviggine d < 0.5 mm; goccioline di pioggia d > 0.5 mm). Oltre alla possibile formazione di ghiaccio, non hanno altri effetti rilevanti se non una riduzione della visibilità in proporzione alla loro intensità.

Durante l’atterraggio e le principali operazioni al suolo condotte ad elevata velocità si possono verificare effetti di aquaplaning.

•      La Grandine; è la precipitazione più pericolosa in assoluto. Si forma quando gocce d’acqua solidificano all’interno di un cumulonembo e durante ripetuti spostamenti verticali si aggregano ad altre gocce sopraffuse che ghiacciano a loro volta al momento del contatto.

        Oltre che dentro e sotto il CB, la grandine può essere incontrata anche a notevole distanza dal temporale, catapultata oltre la sommità del CB dalle correnti ascensionali e spinta dal vento anche fino a 20NM oltre la nube.

•      La Neve; l’effetto negativo più rilevante è la riduzione della visibilità. Causa seri problemi anche durante le manovre al suolo condotte a qualsiasi velocità. Per queste ragioni vengono emessi gli Snowtam.

 

Icing

Formazione di un deposito di ghiaccio sulla struttura dell’aeromobile o sul motore.

 

La formazione può avvenire:

•      per congelamento di acqua sopraffusa.

•      attraverso il processo di deposizione, nel quale il vapore acqueo è trasformato in ghiaccio senza passare dallo stato liquido.

Il ghiaccio si può formare:

•      in volo nelle nubi;

•      in aria chiara;

•      a terra.

 

Effetti Pericolosi Dell’Icing

      Alterazione del flusso aerodinamico lungo i profili deformati dagli accumuli di ghiaccio:

l’alterazione di tale flusso provoca una diminuzione della portanza e un aumento della resistenza: la velocità di stallo raggiungere valori talmente elevati da rendere impossibile oltre alla salita, anche il mantenimento del semplice volo livellato.

      Ostruzione delle prese d’aria di alimentazione dei motori.

      Ostruzione della presa dinamica e blocco dell’avvisatore di stallo.

      Nel motore può portare a perdite di potenza.

      Appesantimento dell’aereo.

      Mancanza di visibilità anteriore (pericolosa in atterraggio).

 

Icing in volo nelle nubi

I fattori che contribuiscono alla formazione di ghiaccio in nube sono divisi in fattori meteorologici e fattori aerodinamici.

I fattori meteorologici sono:

•      il contenuto di acqua sopraffusa;

•      il contenuto di cristalli di ghiaccio;

•      la temperatura;

•      l’umidità;

•      la distribuzione delle gocce e dei cristalli.

I fattori aerodinamici sono:

•      l’efficienza di cattura delle gocce da parte dell’aereo;

•      la velocità dell’aereo;

•      La temperatura superficiale dell’aereo.

 

Condizioni necessarie per la formazione di ghiaccio in nube:

•      La presenza di gocce d’acqua allo stato di sopraffusione.

•      La temperatura ambiente e/o delle superfici dell’aeromobile sia inferiore a 0°C

L’acqua sopraffusa è:

•      Acqua liquida con temperatura inferiore a 0°C

•      E’ frequente a temperature comprese tra 0° e -15°C

•      E’ uno stato di equilibrio critico facilmente perturbabile.

Ogni perturbazione provoca l’immediato ghiacciamento delle gocce, quindi anche il contatto con un corpo solido 

 

Congelamento

Generalmente il processo di congelamento avviene perché una goccia che si trova a temperature inferiori a 0°C incontra i nuclei di congelamento,attorno ai quali si attiva il processo.

I nuclei di congelamento sono:

•      attivi a temperature inferiori a -15°C;

•      in numero crescente al decrescere della temperatura;

•      più frequenti in gocce grosse.

 

      Le gocce di pioggia (diametro > 1 mm) congelano a temperature comprese tra -15°C e -20°C.

      Le gocce di nube (10-20 μ) congelano a T ≈ -30°C.

      Anche le più piccole sono congelate a T = -40°C (l’ultima temperatura alla quale si può trovare acqua sopraffusa in nube).

•         L’impatto delle superfici dell’aeromobile con l’acqua sopraffusa provoca il congelamento.

 

      Se le gocce di nube sono piccole e la temperatura è inferiore a -20°C,poiché la temperatura della goccia (che si trova a 0°C) è più alta dell’aria circostante,il processo è immediato.

      Se le gocce di nube sono grandi e la temperatura è attorno a 0°C,il processo è più lento; di conseguenza le gocce hanno il tempo di spalmarsi sulla superficie del velivolo per poi congelare.

Quindi:

•         Se la temperatura ambiente è di poco inferiore a 0°C:

      il congelamento è più lento;

      ogni goccia ha il tempo di spalmarsi sulla superficie dell’aeromobile;

      le gocce si fondono assieme prima di congelare;

      la formazione di ghiaccio che ne consegue è ben aderente,compatta e solida (ghiaccio vetroso).

•         Se la temperatura ambiente è molto bassa:

      le gocce congelano prima di unirsi;

      la formazione di ghiaccio è friabile (ghiaccio granuloso).

 

Contenuto d’acqua in nube

Un altro fenomeno meteorologico che va tenuto in considerazione è il contenuto complessivo di acqua nella nube.

Valori indicativi:

•      il valore massimo si ha nelle nubi tropicali (0,008 Kg/m3) a circa 8 Km sopra la base della nube e attorno a -10°C;

•      nelle regioni temperate il valore è 0,005 Kg/m3 a 6 Km sopra la base della nube a circa -25°C;

Occorre analizzare i casi di nubi miste, dove sono presenti contemporaneamente acqua e cristalli di ghiaccio, e il caso in cui vi sia presenza di precipitazione.

Nelle nubi miste,la presenza di ghiaccio induce il congelamento dell’acqua sopraffusa eventualmente presente diminuendo così la possibilità di formazione di ghiaccio. In una nube recente il fenomeno è attivo solo se la temperatura è inferiore a -15°C; in una nube di vecchia formazione è necessario un meccanismo di rimpiazzo del vapore come nel caso di nubi convettive e fronti.

La precipitazione ha due effetti contrapposti:

•      le gocce d’acqua sopraffusa diminuiscono per coalescenza

•      La precipitazione d’altro canto aumenta il contenuto d’acqua della nube per caduta dagli strati superiori della nube.

In sintesi si può dire che il contenuto di acqua in nube è difficile da determinare.

 

Icing in volo, in aria chiara

In aria chiara (priva di nubi) si può formare ghiaccio al carburatore:

•         L’aria aspirata dal carburatore si espande raffreddandosi;

•         La benzina sottrae calore all’aria per evaporare;

•         Entra aria umida, e in tal caso, può raffreddarsi sotto zero e sotto il punto di rugiada, oltre al fatto che i depositi di ghiaccio diminuiscono la sezione di aspirazione: ne consegue una diminuzione della potenza del motore.

Rimedi:

•         Termometro per monitorare la temperatura  del carburatore

•         Dispositivo di riscaldamento del carburatore

 

 

 

 

Principali Tipologie di Ghiaccio

Ghiaccio brinoso, hoarfrost:

•      aspetto di cristalli di ghiaccio leggero, simile a brina;

•      si forma in aria chiara per sublimazione del vapore acqueo;

•      si forma a terra e in volo; fa da base per la formazione di altri tipi di ghiaccio;

Ghiaccio granuloso, rime ice:

•      struttura opaca, porosa;

•      si forma per congelamento di piccole gocce di acqua sopraffusa;

•      si forma nelle nubi e nella pioviggine, tra -10°C e -20°C;

Ghiaccio vetroso, clear ice:

•      ghiaccio chiaro, compatto, trasparente, aderente;

•      si forma per congelamento di grosse gocce di acqua sopraffusa;

•      si forma nelle nubi tra 0°C e -10°C.

 

Icing, Classificazione

•      Tracce: il ghiaccio diventa percettibile. Sebbene non vengano utilizzati i sistemi de-icing/anti-icing non è rischioso, purché non si resti in tali condizioni per un tempo elevato (oltre un’ora).

•      Leggero: il rateo di accumulazione potrebbe creare problemi se il volo è prolungato in quest’ambiente

  (oltre un’ora). Un uso occasionale dei sistemi deicing/anti-icing rimuove/previene l’accumulo.

Non presenta un problema se il sistema deicing viene utilizzato.

•      Moderato: il rateo di accumulo è tale che anche incontri brevi diventano potenzialmente rischiosi e l’uso dei sistemi deicing/anti-icing diventano necessari.

•      Estremo: il rateo di accumulo è tale che i sistemi deicing/anti-icing falliscono nel ridurre il rischio.

      Si rende necessaria un’inversione immediata di rotta.