Il tema turbolenza nei voli ha cominciato a diventare uno dei più discussi delle ultime settimane dopo quanto accaduto al volo "Londra-Singapore", dove proprio a causa di una forte e veloce turbolenza, l'aereo ha perso in pochissimi secondi 60 metri di quota e dopo qualche minuto è sceso di altri 2000metri, fino poi a essere costretto a effettuare un atterraggio d'emergenza a Bangkok. Inoltre proprio a causa di questo avvenimento 40 persone sono rimaste ferite e un uomo anziano ha perso la vita.

Di recente dopo il caso "Singapore Arilines" è avvenuto un altro caso simile. In un volo da Palma di Maiorca a Vienna, l'aereo dell'Austrian Airlines è stato colpito e danneggiato da una violenta grandinata che non era visibile neanche sul radar meteorologico di bordo. In questo caso nessun morto e ferito, ma certamente è salita un po' più di apprensione su questo tema dei voli. Come evitare le turbolenze? Come prevedere grandinate o precipitazioni improvvise? Esiste un pericolo invisibile causato dal cambiamento climatico.

Abbiamo cercato di far chiarezza sul binomio turbolenza-voli grazie alla Dottoressa del Cnr Alessandra Lanotte, ricercatrice di Fisica Teorica, Fluidi complessi, Turbolenza e High-Performance Computing.

Dottoressa partire dal caso del volo di Singapore. Da quel momento si è iniziato a parlare di turbolenza, di connessioni con i cambiamenti climatici. Con lei vorremmo fare chiarezza su questo tema. Come si formano le turbolenze?

Nel passato ho lavorato ad un progetto relativo alla sicurezza aerea, in caso di fenomeni di "wind shear" che sono uno delle cause delle turbolenze aeree e posso dirle che: un fluido in movimento come l'aria è spesso in uno stato turbolento.

Le forzanti che creano turbolenza nell'aria sono di varia origine

1. Possono essere di origine meccanica o termica, quindi quando masse di aria calda si incontrano con masse di aria fredda.
2. Inoltre sono dovute alla presenza di ostacoli: pensiamo ad esempio a un fiume che scorre molto velocemente, ed incontra un ostacolo. E dietro l'ostacolo si formano molti vortici turbolenti. Adesso noi parliamo di voli, quindi per la turbolenza atmosferica gli ostacoli sono le catene montuose.
3. Oppure sono dovuti a fenomeni convettivi, con intense correnti ascensionali, cioè quando l'aria calda sale molto rapidamente, mentre l'aria fredda più densa scende molto rapidamente.

Un ostacolo potrebbe essere anche l'aereo stesso?

No, no, nel senso che solo dietro l'aereo si possono creare dei vortici, ma non ne risentirebbe l'aereo, ne risentirebbe qualcuno che tentasse di volare un po’ dietro l'aereo. Immagini un motoscafo che si muove molto rapidamente nell'acqua. Dietro si formano dei vortici. Ecco, qualcuno che nuotasse dietro un motoscafo risentirebbe molto dei vortici creati dal motoscafo, ma l'aereo in generale non risente dei vortici che crea. Quelli di cui risente sono i vortici creati dal movimento del fluido (l’aria) in uno stato turbolento, cioè molto disordinato.

Cosa può accadere durante un volo allora? 

Durante un volo aereo spesso si incontrano fenomeni turbolenti quando si entra o si esce da una nube, sono dovuti a intensi shear locali. Abbiamo turbolenza anche in assenza di nubi, o meglio dire: in presenza di aria limpida, detta aria chiara in gergo (CAT= clear-air turbulence).

Questa può essere dovuta a masse di aria a diversa temperatura che si incontrano. La turbolenza convettiva è dovuta a queste correnti ascensionali e quindi aria calda che sale, aria fredda che scende, oppure la presenza degli ostacoli.

Indipendentemente dalla causa la conseguenza è che l'aereo si trova ad attraversare una zona in cui il movimento del fluido – che in questo caso l'aria- è molto forte, molto disordinato e soprattutto è molto intermittente, cioè può attraversare delle zone di volo in cui l'aria è calma e poi improvvisamente trovarsi in una zona a forte variazioni di velocità.

Quindi il problema per l'aereo sono queste forti variazioni di velocità che possono essere orizzontali, (quindi grandi differenze di velocità fra due zone anche se l'aereo viaggia alla stessa quota) oppure verticale, come nel caso dell'incidente di Singapore. Ho letto il dettaglio di quello che è successo in questo incidente, come riportato da alcuni media, dove purtroppo c'è stato anche un decesso per un infarto di uno dei passeggeri.

Nel giro di pochissimi secondi, circa 4-8 secondi, c'è stata una variazione dell'accelerazione verticale, cioè la variazione di velocità con cui si muove l'aria verticalmente, pari a quasi tre volte l'accelerazione di gravità.  Quindi l'aereo ha sentito in pochissimi secondi una variazione drastica, fortissima di accelerazione verticale, ed ha perso 60 metri di quota circa. Questo è un evento eccezionale, direi.

Allora che turbolenza provochi questo tipo di fluttuazioni cosi’ intense e rapide lo sappiamo anche dagli studi di laboratorio e dalle simulazioni numeriche. E’ una caratteristica dei flussi turbolenti quella di avere queste forti variazioni di velocità, verticali o orizzontale.

La questione quindi è se questi fenomeni sono diventati più intensi e più frequenti?

Sono due domande diverse. Più frequenti vuol dire che prima succedeva, faccio un esempio, una volta ogni 15000 ore volate, mentre adesso ci chiediamo se succede in meno ore di volo. L'altra domanda è se questi fenomeni siano più intensi ora rispetto al passato e se si, una volta appurato, bisogna capire qual è la causa.

Allora ho letto che su molta stampa viene citato un lavoro scientifico che è apparso l'anno scorso su Geophysical Research Letters, che in particolare ha studiato l'occorrenza, cioè la frequenza con cui accade,  la CAT negli ultimi 40 anni.

Analizzando le serie temporali dei modelli di circolazione atmosferica hanno rilevato che, soprattutto nella zona del Nord Atlantico e nella zona continentale degli Stati Uniti, questi fenomeni accadono più frequentemente: sia quelle di turbolenza moderata che quelle di turbolenza intensa.

Adesso qualcuno suggerisce di collegare questa evidenza con i cambiamenti climatici… io ritengo che la strada sia tutta da fare, e per ora non ci siano dati evidenti per dirlo. Quello citato è uno studio che ha stabilito alcune correlazioni e misurato un'occorrenza, ovvero una probabilità di osservare questi fenomeni aumentata rispetto al passato. Questo studio va validato con più osservazioni sistematiche.

Non sappiamo neanche se sia questa la causa: direi che non abbiamo attualmente la quantità di dati necessaria che vorremmo avere per stabilire con certezza quali sono le ragioni e se questa occorrenza è effettivamente verificata ad esempio a tutte le latitudini e in tutte le stagioni. I cambiamenti climatici sono in atto e questo e’ innegabile, ma la relazione con gli eventi di cui parliamo e’ ancora da stabilire.

Perché non abbiamo questi dati?

Perché la turbolenza, come le ho detto, è un fenomeno che avviene molto rapidamente sull'ordine dei secondi o dei minuti e su scale spaziali che sono dell'ordine delle centinaia di metri.

I modelli meteorologici non sono in grado di conoscere il fluido a queste risoluzione spaziale e temporale. Fanno delle interpolazioni e quindi diciamo da questi studi quello che viene fuori è la necessità di avere più dati.

Come fa un aereo a evitare queste situazioni?

Un aereo ha molti strumenti di misura a bordo. In generale gli anemometri che sono posti ai due estremi dell'aereo, misurano una differenza di velocità continuamente in ogni istante di volo. Se il pilota si accorge che questa differenza di velocità sta diventando importante,, allora può fare delle manovre per o cambiare quota o adattare la velocita’ di volo alla stuazione. Inoltre  l'aereo ha a disposizione dati da altri strumenti, ad esempio i radar meteorologici. Nel caso dell'aereo di Singapore è tutto avvenuto così rapidamente che appena i piloti si sono resi conto hanno fatto delle manovre di aggiustamento ma questo non è stato sufficiente per evitarle.

Questi strumenti in futuro possono essere più precisi o resta impossibile a causa del lasso di tempo così breve?

Gli strumenti di misura molto precisi ne abbiamo già a disposizione. Non sono sicura che gli strumenti ad altissima risoluzione temporale siano montati sugli aerei ma immagino di sì. Comunque, come dice lei, questi si possono sempre migliorare.  Si può migliorare anche l'integrazione di strumenti sull'aereo con informazioni ricevute da terra o da altri sistemi di early warning. Faccio un esempio si possono fornire ai piloti ancora piu’ dati provenienti dalle simulazioni dei modelli meteorologici, anche attraverso l'uso dei dati satellitari ed altri strumenti. In questo modo si possono avere maggiori capacità di anticipare il fenomeno. Anticipare vuol dire scegliere ad esempio poi di spostarsi ad un'altra quota, o correggere la velocita’ di crociera.

La cosa più importante secondo me è che queste informazioni bisogna raccoglierle sempre e integrarle con quelle presenti nelle cosiddette scatole nere presenti sugli aerei.Alla fine bisognerebbe avere dei database integrati per capire se effettivamente stiamo misurando una maggiore turbolenza.

Gli strumenti come possono aggiornarsi per riuscire a capire e studiare le turbolenze in un lasso di tempo così breve. Perché se non fossero i cambiamenti climatici la causa, quale potrebbe essere?

Allora la connessione con i cambiamenti climatici è veramente tutta da fare però insomma è sicuramente una domanda da porsi, nel senso che non si esclude nessuna ipotesi. È anche vero che il numero di aerei che vola oggi è molto più alto che in passato, quindi adesso abbiamo anche un'informazione su fenomeni che magari prima non abbiamo visto semplicemente perché non li misuravano nel senso che c'erano meno meno voli.

Sicuramente dobbiamo capire se stiamo semplicemente misurando di più una cosa perché è aumentato il numero di ore volate, o se stiamo misurando una cosa che effettivamente accade più spesso.

Allora il lavoro scientifico citato prima non dipende dalla frequenza di volo. Usa i dati dei modelli meteorologici, integrati con tutte le osservazioni sperimentali, e indica un incremento di alcuni fenomeni appunto di turbolenza intensa. Bisogna estendere questi studi perché questi sono degli studi molto preliminari quindi bisogna capire se effettivamente sono confermati e con quale errore perché ogni volta che noi facciamo una misura abbiamo anche un'incertezza su questa misura e una volta capito questo, bisogna capire le cause.

Come gli aerei e i passeggeri dovranno adattarsi a questo fenomeno che accade con più frequenza?

Credo che cambieranno un po' le norme forse di sicurezza aerea nel senso che forse sarà richiesto ai passeggeri di restare seduti con le cinture allacciate in misura maggiore.

E poi immagino possano cambiare le norme sulla resistenza alla fatica dei materiali con cui sono costruiti gli aerei, perché se i dati preliminari venissero confermati, i materiali di costruzione devono poter sostenere stress meccanici intesi con maggiore frequenza.

E crede come ultima domanda proprio che oltre questi cambiamenti un domani ci possa essere anche una specie di calendarizzazione dei voli, cioè essere a conoscenza di periodi possono essere stagionali brevi legati a singoli mesi in alcune parti del mondo dove ovviamente l'intensità di fenomeni naturali atmosferici è aumentata a causa dei cambiamenti climatici e quindi prima in quei periodi magari partivano 100 voli adesso ne partirebbero venti 30 proprio per evitare ovviamente problemi legati a turbolenze o comunque a dei fenomeni atmosferici che sono diventati sempre più intensi?

Allora non credo. Gli esempi sui monsoni che lei ha fatto sono calzanti e sono riferiti a fenomeni meteorologici che noi chiamiamo stagionali cioè che si ripetono temporalmente, con caratteristiche simili (nonostante la presenza dei cambiamenti climatici possa cambiare alcuni aspetti, ma non sono esperta di cambiamenti climatici e non mi compete discuterne).

Qui invece stiamo parlando di fenomeni intensi e improvvisi, le due caratteristiche principali della turbolenza. È impossibile prevedere il perché il movimento dell’aria e’ molto disordinato, sia spazialmente che temporalmente – tecnicamente, si dice caotico.

Mentre lei può prevedere la stagione degli uragani e la stagione dei monsoni, non può prevedere quando e dove un fluido in stato turbolento, potrà avere variazioni intense di velocità e per quanto tempo. Non c'è la stagione della turbolenza! Possiamo pero’ stimare la probabilita’ che tali variazioni intense accadano, e conoscere sempre meglio le condizioni che le innescano.  E in ultima analisi, essere quindi in grado di reagire piu’ rapidamente all’occorrenza.