Manuale di Volo Libero

Capitolo 4 - CENNI DI METEOROLOGIA

QUANTO SALE LA BOLLA?

In linea teorica la nostra bolla, una volta staccatasi dal suolo, continua a salire (e a raffreddarsi) fintantoché la sua temperatura rimane superiore a quella dell'aria circostante (che cala anch'essa). Poi, raggiunta una zona di pari temperatura (zona di equilibrio termico) con l'aria circostante, essa oscila pigramente in su ed in giù per inerzia, dopo di che si ferma.

È chiaro quindi che l'altezza effettivamente raggiungibile dalla bolla dipende dalla temperatura effettiva dell'aria circostante o, meglio, dal suo gradiente verticale reale, detto anche curva di stato, mentre quello medio planetario, viso prima, non ci serve più a molto.

CURVA DI STATO

Armati di pazienza prenderemo dunque un piccolo aeroplano, appositamente equipaggiato di barometro, termometro, psicrometro ecc.. e faremo un giretto alle varie quote misurando in particolare la temperatura (questo servizio viene effettivamente svolto presso i principali aeroporti di volo a vela, ed i dati sono disponibili a richiesta). In alternativa agli aerei possono essere utilizzate delle sonde, ma una cosa è chiara: per conoscere la curva di stato in un posto ed in un certo giorno, non c'è altra possibilità che andare e vedere, sia pur per interposta sonda.

Con i dati in mano possiamo riportare le temperature effettivamente osservate alle differenti altezze su di un grafico: avremo finalmente ottenuto la curva di stato (valida ovviamente solo per quel giorno e per quella zona).

Figura 4-9.La curva di stato indica come varia la temperatura al variare della quota: si notino le inversioni termiche (sia al suolo che in quota). In base alla curva di stato (rilevata giornalmente) è possibile individuare le condizioni di equilibrio dell'aria.

INVERSIONE TERMICA

Come ci è stato più volte ripetuto dagli studiosi dell'"effetto serra", una coltre di nubi può ritrasmettere verso il basso il calore che era in procinto di lasciare la terra. Questo significa che, in una notte limpida e serena, il calore sarà invece facilitato a lasciare il nostro pianeta. E, infatti, così è: ampie zone di pianura si raffreddano molto nelle notti di questo tipo e, raffreddandosi, raffreddano (per conduzione)anche gli strati d'aria più bassi, quelli che "vi appoggiano sopra". Può quindi accadere che l'aria, al suolo, sia addirittura più fredda dell'aria a 30-50 mt di quota. Questa condizione anomala è detta inversione termica al suolo: per una certa altezza l'aria è più calda man mano che si sale.
Da ciò che abbiamo visto è chiaro che una inversione termica significa l'impossibilità di distacco di bolle o colonne termiche che, appena sollevatesi, incontrerebbero aria addirittura più calda, che le ricaccerebbe giù.

Analogamente può accadere che si osservino inversioni termiche in quota: in questo caso il fenomeno è dovuto, in genere, alla presenza di una ampia zona di alta pressione che "pesa" sull'aria sottostante, generando un cuscinetto di sovrappressione (e quindi di maggior temperatura). Anche le inversioni termiche in quota rappresenteano un limite alla possibilità di salita di una massa d'aria per motivi del tutto simili a quelli visti per le inversioni al suolo.

Nella figura 4-9 è riportata una tipica curva di stato: osserviamo che nei primi 500 mt si ha una inversione al suolo, poi fino a 1750 mt la temperatura cade di circa 0,8° C ogni 100 mt; tra i 1750 ed i 2700 mt si osserva una fascia di isotermia (la temperatura non varia); tra 2700 e 3000 mt è presente una seconda inversione, questa volta in quota, dopo di che l'aria si raffredda molto rapidamente.

STATO DI EQUILIBRIO DELL'ARIA

Diviene a questo punto possibile confrontare la curva di stato (o almeno quei "pezzi" della curva che si riferiscono alle quote di nostro interesse, in genere da 0 a 3000 mt) con il gradiente adiabatico secco che già conosciamo (e, in un caso particolare, anche con il gradiente adiabatico saturo).

Il raffronto ci dirà se l'aria è in equilibrio instabile, stabile od indifferente.

EQUILIBRIO INSTABILE

Molto caldo in basso, molto freddo in alto: queste sono le condizioni di equilibrio instabile, le migliori perchè si generino movimenti ascendenti; dire che in alto l'aria è "molto più fredda" che in basso, significa affermare che esiste, in quel momento ed in quel posto, un gradiente termico verticale elevato e comunque, (ciò che più importa) superiore ad 1° C ogni 100 mt.
La nostra bolla, quindi, una volta staccatasi dal suolo, continuerà a salire indefinitamente (infatti se in partenza è di 3° C superiore all'aria circostante e, salendo, la sua temperatura cala di 1° C ogni 100 mt, mentre la temperatura dell'aria circostante cala maggiormente, la nostra bolla sarà sempre immersa in aria più fredda di lei e dunque continuerà la salita).

Si parla quindi di equilibrio instabile quando "la curva di stato mostra un gradiente termico verticale superiore a quello adiabatico secco (cioè superiore ad 1° C ogni 100 mt)".

EQUILIBRIO STABILE

Aria, al decollo, calda quasi come quella in valle: questa è la condizione di equilibrio stabile, poco idonea al volo termico.

Ciò si verifica quando la curva di stato mostra che la temperatura dell'aria non diminuisce molto al salire della quota: è chiaro che la nostra bolla, salendo e raffreddandosi, raggiungerà (più prima che poi) una zona in cui la sua temperatura diviene pari a quella dell'aria circostante, ed interromperà quindi il suo moto ascendente.

Nell'esempio riportato in figura 4-10 ciò si verifica ad 1300 mt di altezza, quando sia la bolla che l'aria circostante hanno una temperatura di 14° C.

Si parla quindi di equilibrio stabile quando la curva di stato mostra un gradiente termico verticale inferiore a quello adiabatico secco (cioè inferiore ad 1° C ogni 100 mt)".

EQUILIBRIO INDIFFERENTE

Esiste anche il caso in cui la curva di stato mostra un gradiente che è proprio di 1° C ogni 100 mt: in queste condizioni si parla di aria in condizione di equilibrio indifferente. In teoria, in queste condizioni, una bolla d'aria che si stacchi dal suolo perchè divenuta di 3° C più calda dell'aria circostante, continuerà a salire indefinitamente, restando sempre di 3° C più calda.

Figura 4-10.Le possibili condizioni di equilibrio dell'aria, deducibili dal confronto tra curva di stato e gradiente adiabatico secco.

EQUILIBRIO STABILE-INSTABILE

L'aria, come sappiamo, contiene sempre un certo grado di umidità che, ad una temperatura sufficentemente bassa, condenserà, restituendo il calore latente di condensazione.

Se questo avviene (se la temperatura, cioè, si abbassa al di sotto del punto di rugiada dell'aria di quel giorno) la bolla in salita si raffredderà più lentamente, passando dal gradiente adiabatico secco al gradiente adiabatico saturo.

Si può dunque avere almeno una quarta condizione di equilibrio: l'equilibrio stabile-instabile.
Immaginiamo che la curva di stato indichi un calo di temperatura pari a 0,9° C ogni 100 mt. Tale gradiente è inferiore a quello adiabatico secco (quindi l'equilibrio è stabile), ma superiore a quello adiabatico saturo (da 0,5° a 0,8° C ogni 100 mt).
In queste condizioni la bolla staccatasi dal suolo con 3° C in più rispetto all'aria circostante inizia a salire, ma, perdendo 1° C ogni 100 mt, raggiunge in breve la zona di parità termica con l'ambiente. Ad una certa altezza, però, viene raggiunta la temperatura del punto di rugiada e quindi la bolla, divenuta satura, condensa diventando visibile (si forma una nube). Come sappiamo tale condensazione libera il calore latente di condensazione, e la bolla continua a salire perdendo, d'ora in poi, solo 0,5-0,8° C ogni 100 mt e guadagnando una condizione di instabilità.
Il cumulo che si sviluppa da tale condensazione ha la base relativamente bassa, ma un'estensione verticale anche notevole.

Figura 4-11.Un esempio di curva di stato tratto dalla realtà: Brianza, 23 aprile 1987.

UN ESEMPIO REALE

Esaminiamo ora un caso tratto dalla realtà: il 23 Aprile 1987, alle ore 10,00 a.m., sulla pianura padana è stata osservata la curva di stato riportata in figura 4-11 (per comodità ci limiteremo ad esaminarne i primi 2800 mt). In quell'occasione è stato inoltre stabilito che le condizioni di umidità dell'aria erano tali che la condensazione (Umidità relativa 100%) sarebbe avvenuta a 3° C (temperatura del punto di rugiada di quell'aria).

La prima osservazione riguarda l'inversione termica al suolo: perchè si stacchino bolle termiche è necessario attendere che l'irraggiamento solare elimini l'inversione, oppure che il vento provveda a sollevare, in modo dinamico (vedi oltre) la massa d'aria nei primi 250 mt. Quando, più avanti nella giornata, una certa quantità d'aria avrà raggiunto, al suolo, una temperatura superiore a quella dell'aria circostante (diciamo 18° contro i 15° dell'aria circostante), essa si staccherà, formando una bolla termica. Questa continuerà a salire, raffreddandosi, secondo la adiabatica secca (1° C ogni 100 mt).
Sappiamo quindi che raggiungerà la temperatura del punto di rugiada (3° C) a 1500 mt: la base di condensazione dei cumuli sarà dunque a tale altezza (e poichè durante la giornata l'aria tenderà ad aumentare globalmente di qualche grado, anche la base delle nubi tenderà ad innalzarsi un poco). Se la nostra bolla fosse assolutamente secca continuerebbe a salire (perdendo sempre 1° C ogni 100 mt) ed intersecherebbe la curva di stato a circa 1900 mt (punto di equilibrio termico).

Ma, come abbiamo visto, a 1500 mt inizia la condensazione: da questa quota in poi la bolla salirà secondo la adiabatica satura, perdendo "solo" 0,8° C ogni 100 mt; l'equilibrio termico verrà raggiunto quindi a 2300 mt, ed a questa altezza si troveranno le sommità dei cumuli.

Tra 2400 e 2600 metri, poi, si nota una "inversione termica in quota", che rappresenta, comunque, un ulteriore invalicabile ostacolo allo sviluppo verticale delle ascendenze.

CHE CI IMPORTA DELL'ADIABATICA SATURA?

Un'obiezione, non del tutto priva di fondamento, che viene spesso rivolta dagli allievi più attenti è questa: se il Volo Libero può essere condotto soltanto al di fuori delle nubi, che ci importa dell'adiabatica satura? È infatti evidente che quest'ultima, verificandosi soltanto in presenza di condensazione, caratterizza il comportamento di una massa d'aria esclusivamente all'interno di una nube, un posto che ci è precluso.

Ebbene (a parte il fatto che nessuno è mai morto di troppo sapere) la conoscenza dell'esistenza dell'adiabatica satura è preziosa anche a noi vololiberisti perchè è in grado di spiegarci come mai un'ascendenza, relativamente omogenea e "tranquilla" nelle vicinanze della base della nube può divenire molto più movimentata e "robusta" quando si raggiunge la quota di condensazione; questo dovrebbe fornire un ulteriore motivo per stare sempre lontani (almeno 100 mt) dalla base delle nubi.
Inoltre proprio l'energia "imprigionata" nel calore latente di condensazione contribuisce a spiegare le "condizioni infernali" che si generano all'interno di alcune nubi (cumulo-nembo).