Le domande che più di frequente mi vengono rivolte da parenti e amici, persone che non essendo appassionate si interessano al volo solo in occasione di viaggi effettuati a bordo di aerei civili, riguadano la turbolenza. Ritengo sia normalissimo. D’altronde la turbolenza, specie nei voli transoceanici, può avere manifestazioni abbastanza violente e condizionare notevolmente la qualità del viaggio. Solitamente, per spiegare la turbolenza e le sue cause, inizio una disquisizione sulla troposfera, sui jetstream e faccio riferimento a termini che l’interlocutore generalmente non conosce e non capisce. Per arrivare a parlare della turbolenza o almeno della CAT (Clear Air Turbolence) ho pensato fosse utile scrivere un’introduzione che permettesse di apprendere qualcosa in più dell’Atmosfera e delle sue grandezze caratteristiche. A partire dalla breve descrizione che segue, in futuro, parleremo anche di turbolenza.
Qualsiasi tipo di volo, militare o civile, si svolge, a varie altezze, in quel miscuglio gassoso che circonda e accompagna la Terra nei suoi moti di rivoluzione intorno al sole e di rotazione intorno al proprio asse: l’atmosfera. Perfino i voli spaziali, almeno nelle fasi pre-orbitale e di rientro, si svolgono nell’atmosfera.
L’atmosfera è composta da diversi tipi di gas: per il 78% è fatta di azoto, per il 21% di ossigeno, mentre il rimanente 1% è costituito da anidride carbonica, idrogeno, elio e soprattutto vapore acqueo, responsabile dei fenomeni meteorologici.
L’atmosfera è vincolata alla terra dalla forza gravitazionale cui sono sottoposte tutte le masse dell’Universo, forza che evita la dispersione dei gas nello spazio; in virtù della legge di gravitazione universale di Newton, i gas più pesanti si addensano infatti a bassa quota, quelli più leggeri restano a quota più alta. Anche se in termini scientifici non è possibile stabilire con rigorosa precisione l’altezza dell’atmosfera, perché questa si dirada fino a rendere indistinguibili le molecole dei gas che la compongono con quelle dei gas e del pulviscolo dello spazio, l’Organizzazione Meteorologica Mondiale ha stabilito che il limite dell’atmosfera è convenzionalmente fissato a una distanza di 100 km dalla terra.
Una parte dell’energia, proveniente dal sole, attraversa l’atmosfera e viene assorbita dalla Terra sotto forma di calore. La superficie del pianeta cede calore agli strati dell’atmosfera a contatto con il suolo, che a loro volta ne cedono agli strati superiori per convezione. Questo fenomeno è all’origine di quelle correnti orizzontali che comunemente chiamiamo venti. Se, per assurdo, la superficie terrestre fosse uniformemente riscaldata dal Sole (il che è impossibile, vista la non perfetta sfericità del pianeta, i suoi moti di rotazione e rivoluzione, la presenza di mari e monti, la presenza di perturbazioni ecc.) , l’atmosfera sarebbe in equilibrio, cioè non ci sarebbe alcuno spostamento di masse d’aria. L’acqua che evapora dalla terra e dai mari a causa dell’irraggiamento, sale verso gli strati più alti dell’atmosfera, espandendosi man mano che la pressione circostante diminuisce. Il processo di espansione dà luogo a un raffreddamento, alla condensazione del vapor acqueo, e allo sviluppo delle precipitazioni.
Per tutta la sua estensione, l’atmosfera non mantiene costante le proprie caratteristiche: temperatura, pressione e densità dell’aria variano a seconda delle stagioni, della latitudine e dell’irraggiamento solare.
Lo strato più basso dell’atmosfera, quello a contatto con la superficie terrestre, si chiama Troposfera. In questa zona, che può avere spessore variabile (dai 18 Km d’altezza all’Equatore, ai 7 Km ai poli), la temperatura dell’aria diminuisce in modo lineare all’aumentare della quota: circa 6,5°C ogni 1.000 metri di quota (gradiente termico verticale).
Raggiunti i –56,5°C, la temperatura cessa di diminuire e si mantiene costante, per tutta l’estensione del secondo strato, che prende il nome di Tropopausa. La parte di atmosfera sovrastante la tropopausa si chiama Stratosfera. Oltre la stratosfera, che si estende fino a circa 50 km dalla superficie terrestre, l’atmosfera è suddivisa in Media Atmosfera, Esosfera e Ionosfera.
Pressione
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La pressione è definita come la forza esercitata ortogonalmente su una superficie: P=F/S.
La pressione atmosferica è la pressione esercitata su un’area dalla colonna d’aria sovrastante ed è mediamente uguale a quella esercita da una colonnina di mercurio alta 760 mm (76 cm). Gli anglosassoni misurano l’altezza della colonnina di mercurio anche in pollici: 760 mm = 29,92 pollici. Qualora la colonnina di mercurio di 760 mm gravi su una superficie di un cm² questa avrà un volume di 76 cm³ e peserà 1,033 Kg. E’ per questa ragione che si è convenuto chiamare atmosfera (atm) la pressione di 1,033 kg/cm². Altre unità di misura della pressione sono i millibar (mb) e gli hectopascal (hpa). Riassumendo:
760 mm Hg = 29.92 pollici Hg = 1,033 kg/cm² = 1013 mb = 1013 hpa
Essendo l’aria un fluido compressibile, la pressione decresce con la quota con una legge non lineare. Tuttavia, a basse quote, con una buona approssimazione, si può definire un gradiente barico verticale costante pari a 1 millibar di diminuzione della pressione ogni 27 piedi quota.
L’atmosfera standard (ISA)
Durante lo svolgimento di ogni tipo di operazione in campo aeronautico (dal controllo del traffico aereo, allo svolgimento di prove di volo o di taratura degli strumenti) è di fondamentale importanza l’utilizzo di parametri di riferimento fissi, uguali per tutti, in ogni parte del mondo. Anche i parametri atmosferici sono quindi stati standardizzati, perché tutti basassero le proprie misurazioni sugli stessi valori, a qualsiasi latitudine o in qualsiasi condizione atmosferica, grazie all’istituzione dell’atmosfera tipo o ISA (International Standard Atmosphere), un’atmosfera di riferimento avente i seguenti valori medi al livello del mare:
– Pressione: 760 mm di Hg
– Temperatura: 15°C
– Densità: 1,225 Kg/m³
