Dispensa n.3 - Atmosfera
OACI
Gli argomenti che affronteremo in questa lezione completano il
discorso sull'atmosfera trattato nelle due lezioni precedenti.
Faremo un breve cenno all'atmosfera standard
detta anche "tipo" (OACI).
Sapete che cosa significa OACI ? E' l'acronimo dell'Organizzazione per
l'Aviazione Civile Internazionale (1), cioè
un organismo internazionale sovraordinato a tutte le
organizzazioni nazionali che si occupa di regolamentare tutto
ciò che attiene all'esercizio sicuro del volo.
Un altro breve cenno lo dedicheremo all'andamento
della densità e della pressione con la quota.
Infine, tempo permettendo, introdurremo il discorso sulla temperatura
dell'aria.
Riprendiamo rapidamente il concetto sviluppato nell'ultima
lezione in merito all'andamento della temperatura con la quota.
Abbiamo visto che nella troposfera, ovvero lo strato
atmosferico più prossimo al suolo e che raggiunge una quota
media di 12-13 km (ricorderemo, però, che all'equatore la
tropopausa è più alta rispetto al polo), la temperatura, man
mano che ci si eleva con la quota, diminuisce. La causa della
diminuzione sta nel fatto che il riscaldamento della troposfera
avviene soprattutto dal basso. E' la superficie terrestre che
riscalda la massa d'aria a suo immediato contatto. E' ovvio che
la Terra non è una fonte di energia autonoma (geotermia a
parte), ma restituisce il calore ricevuto dalle radiazioni
solari. L'aria, invece, per la sua costituzione molecolare e
gassosa, non è in grado, se non in piccola parte, di assorbire
direttamente la radiazione solare. Bene. Ripreso questo concetto,
andiamo a considerare adesso l'andamento della densità con
l'altezza.
In fisica si adopera una lettera
greca, rho , per indicare la densità, ed è legata
ad una relazione precisa: massa fratto volume.
Esempio: immaginiamo un cubo di lato 1 che contiene 100
molecole di aria. Se ne diminuisco il volume, ovvero prendo un cubo
il cui lato misura la metà di quello precedente, le 100 molecole
di aria staranno tutte un po' strettine: si dice che è aumentata
la densità. Questo esempio ci serve solo per dire che
l'atmosfera, come tutti i corpi presenti sulla superficie
terrestre, subisce l'attrazione gravitazionale esercitata dal
nostro pianeta. Questo fa sì che le molecole dell'aria tendano
ad approssimarsi in maggior numero vicino alla Terra piuttosto
che lontano da essa.
Pertanto avremo una densità maggiore negli strati più bassi,
ossia quelli più vicini al suolo. Come per la temperatura,
quindi, anche la densità ha un andamento decrescente con la
quota. Però, mentre per la temperatura la diminuzione è lineare
(cioè il rapporto tra le grandezze è costante: di tanto varia
uno, di tanto varia l'altro), invece per la pressione la
diminuzione è di tipo non lineare, ma esponenziale, poiché essa
dapprima diminuisce rapidamente e poi in maniera via via più
lenta.
Qual è la diretta conseguenza delle parole che abbiamo detto
sulla densità? Se ne deduce che la stragrande maggioranza della
massa gassosa che compone l'atmosfera, il 50%, è concentrata nei
primi 5 km. Considerate che l'estensione dell'atmosfera, partendo
dal suolo fino alla quota in cui si confonde con lo spazio
siderale, è valutata in circa 800-1000 km.
Come potete osservare, su 1000 km di estensione, nei soli
primi 5 km è contenuta metà in massa di tutta l'atmosfera.
Questo dipende dal fatto che i gas sono molto compressibili. Man
mano che si sale, l'aria si fa sempre più rarefatta, e nei primi
50 km possiamo dire che è contenuto il 99% di tutta l'aria. Lo
spazio da 50 km in su, fino ai confini imponderabili
dell'atmosfera, è occupato solamente dall'1% di tutta l'aria del
pianeta. Come abbiamo già detto, la causa di tutto ciò è
semplice, ed è da imputarsi al campo gravitazionale terrestre
che tende a richiamare tutta l'aria in prossimità della
superficie terrestre.
Perché il concetto di densità è importante nel campo del
volo? Poiché il rendimento di un motore dipende dalla
densità.
Anche la pressione diminuisce con la quota, in modo analogo
alla densità, a cui è comunque collegata. Ad esempio la
superficie isobarica di 500 mb o hPa (è lo stesso, in quanto 1
mb = 1 hPa), si trova all'incirca a 5500 metri, la pressione di
400 hPa la ritroviamo circa 1500 metri più sù. Possiamo dire,
quindi, che per una differenza di quota di 1500 metri si è
verificata una diminuzione di pressione di 100 hPa. La 300 hPa si
trova intorno ai 9000 metri, la 200 hPa a circa 12000 metri. Come
potete notare, per soli 100 hPa (da 300 a 200 hPa), la differenza
di quota è salita a 3000 metri.
Riportando tutto in uno specchietto, avremo:
500 hPa 5500 metri
400 hPa 7000 metri 7000-5500=1500 metri
300 hPa 9000 metri 9000-7000=2000 metri
200 hPa 12000 metri 12000-9000=3000 metri.
Come potete osservare, bisognerà salire di quota in misura
sempre maggiore per ottenere una medesima riduzione di pressione
(che noi, qui, abbiamo fissato in 100 hPa). Se per salire dalla
quota a cui la pressione è di 500 hPa alla quota ove la
pressione è di 400 hPa abbiamo dovuto elevarci di 1500 metri,
per ottenere un ulteriore decremento di 100 hPa, e passare quindi
dalla quota a 400 hPa a quella a 300, dobbiamo elevarci di 2000
metri, e dovremo percorrere ben 3000 metri per portarci da 400
hPa a 300 hPa.
In sintesi abbiamo visto che:
-
la densità dell'aria diminuisce con la quota,
-
la pressione atmosferica diminuisce con la quota,
-
la temperatura, nella troposfera, diminuisce con
la quota.
La temperatura diminuisce in maniera lineare, dandoci la
possibilità di definire un gradiente medio per l'aria secca o non
satura, di 0.65 gradi per ogni 100 metri, o, se preferite, di 2
gradi ogni 1000 piedi (gradiente termico verticale).
Sulla base di questi concetti è stata definita un'atmosfera
standard, basata su valori medi della pressione e della
temperatura. L'atmosfera standard serve soprattutto per tarare
gli altimetri. Quando studieremo la pressione avremo modo di
osservare come questo possa indurre in errore un pilota a causa
del fatto che l'atmosfera standard può discostarsi in misura
più o meno maggiore dalle condizioni effettive, reali,
dell'atmosfera.
L'atmosfera standard assume che la temperatura al suolo sia di
+15 gradi, che la pressione sia di 1013,2 hPa e che il gradiente
termico verticale sia di 0,65 gradi per 100 metri. Ora, potete
ben vedere che la temperatura al suolo può non essere di 15
gradi, e così vale per la pressione, anch'essa variabile da
luogo a luogo e da momento a momento. Per cui, se non vengono
introdotte le opportune correzioni, il pilota può volare ad una
quota credendo di trovarsi ad un'altra.
Questo rapido accenno alla pressione mi serve soprattutto per
fornirvi un aggancio alla realtà: noi studiamo concetti teorici,
ma poi, ve ne rendete conto, vediamo quali sono i riflessi
concreti di ciò che diciamo.
Quanto vi dico potrà servirvi nella vostra vita
professionale.
Vi è una rivista, intitolata "Rivista della
sicurezza del volo", edita dall'Aeronautica
Militare, e precisamente dall'Ispettorato per la sicurezza del
volo, che nelle sue pagine tratta di incidenti o situazioni di
rischio vissute dai piloti e raccontate in prima persona. La
maggior parte delle volte le situazioni di rischio o di emergenza
sono causate da difetti nelle parti meccaniche, però molte
volte, alcune situazioni rischiose sono state indotte da errori di
comprensione tra piloti e controllori del traffico aereo. In uno
degli ultimi numeri di questa rivista veniva descritta la
conseguenza di un errato QNH. Sapete dirmi che cosa è il QNH? E'
il valore di pressione su cui al suolo vengono regolati gli
altimetri di bordo. Ma torniamo all'articolo. Cosa è avvenuto?
Che il controllore ha chiesto il dato alla meteo e, o gli è
stato fornito male, oppure ha capito male, ha comunicato al
pilota un valore che differiva dal reale di 20 mb in più. E
questo può essere un errore fatale, poiché in atmosfera
standard ogni millibar corrisponde a 8 metri, per cui
l'errore di quota equivale a circa 500 piedi. Il rischio è
quello di trovarsi ad una quota più bassa rispetto alle
indicazioni altimetriche, e quindi di impattare contro ostacoli
fissi (quelli segnati sulle carte di navigazione) oppure di non
mantenere una corretta separazione verticale del traffico.
NOTE:
(1) L'acronimo internazionale è ICAO.
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