Allarme tornado? Tutto quello che c'è da sapere

venerdì 30 novembre 2018

Negli ultimi giorni abbiamo assistito a una serie di tornado nel Sud Italia, le cui immagini si sono diffuse rapidamente su tutti i principali quotidiani nazionali e, praticamente in tempo reale, su tutti i social. Questi eventi sono affascinanti e spaventosi allo stesso tempo e richiamano immaginari apocalittici da fine del mondo. Non è un caso che alcune di queste immagini siano state utilizzate per lanciare, ancora una volta, l’allarme sul cambiamento climatico in atto. Sebbene le immagini siano forti e apparentemente comunicative del problema del cambiamento climatico, il loro utilizzo collegato a tale cambiamento è, al momento, una forzatura, per diversi motivi.

Cos’è un tornado?

Un tornado è una colonna di aria rotante, che si estende dalla base di una nube cumuliforme alla superficie terrestre ed è spesso visibile con la caratteristica forma di imbuto (funnel). Quando questa colonna rotante raggiunge la superficie e genera il tornado, si forma solitamente una nube di detriti e polvere (debris cloud).

La scala Fujita

I tornado sono classificati secondo la scala Fujita, poi aggiornata in Scala Fujita Avanzata. Tale classificazione è fatta sulla base dei danni che il tornado ha provocato, da quelli lievi a quelli più estremi. I tornado EF5 possono essere caratterizzati da una velocità dei venti di oltre i 400 km/h e sono i fenomeni atmosferici più veloci mai registrati.

I tornado in Italia sono aumentati?

Nel caso dei tornado italiani, non abbiamo una copertura nel tempo di eventi tale da poter capire, su basi scientifiche, se vi sia un effettivo aumento dei tornado. Sono pochissimi infatti gli studi di quantificazione degli eventi italiani (Palmieri e Pulcini, 1979; Giaiotti et al 2007; Miglietta e Matsangouras 2018) e coprono intervalli temporali piccoli da un punto di vista climatologico, ovvero troppo brevi per avere delle risposte significative da un punto di vista statistico. Quello che è emerso è che le aree maggiormente colpite dai tornado sono le coste tirreniche, il Nord Est, le pianure del Nord Ovest e il Salento.

Comprendere se i tornado aumenteranno sia globalmente che localmente non è semplice, per il fatto che ancora non conosciamo perfettamente i meccanismi di formazione di questi fenomeni, ma solo un quadro generale delle dinamiche fisiche e dell’importanza di alcuni precursori legati all’energia in gioco e al vento.

Proverò ora a spiegare i meccanismi di formazione dei tornado, dedicando un’appendice, in fondo all’articolo, a chi volesse ulteriori approfondimenti di natura più tecnica e, inoltre, cercherò di dare una risposta alla domanda su un possibile aumento di tornado in Italia.

Ci sono differenti tipologie di tornado? Come si formano?

Per cominciare, è bene chiarire che sebbene da un punto di vista della fisica tornado e trombe d’aria siano la stessa cosa, nella letteratura scientifica in italiano e anche in alcune definizioni delle principali organizzazioni meteorologiche, questi due termini non sono perfettamente dei sinonimi, in quanto i tornado starebbero ad indicare delle trombe d’aria di particolare dimensione o intensità. Fatto questo opportuno chiarimento, è possibile distinguere le due principali tipologie di tornado: quelli mesociclonici e quelli non-mesociclonici.

Tornado mesociclonici

Questi tornado sono mediamente più grandi e intensi e sono associati a una supercella, ovvero un grosso cumulonembo dotato di una rotazione interna (mesociclone). Una supercella è una tempesta, tra le meno diffuse, ma tra le più distruttive in natura a cui sono associati forti moti verticali (convezione) e alti valori di wind shear, specialmente tra 0 e 6 km, un parametro che indica la differenza (in intensità e direzione) tra il vento in superficie e il vento in quota.

Una supercella è caratterizzata da un’area di forte convezione, indicata dalla lettera U, che sta a indicare l’updraft, ovvero i moti verso l’alto e da un’area verde, che indica la zona delle precipitazioni e del downdraft (D), cioè delle correnti discendenti, a tratti impetuose, di aria più fredda presente in quota, correnti che completano i moti convettivi della struttura. La zona in verde scuro (H) è quella caratterizzata da forti precipitazioni con la possibile presenza di grandine. L’area delle precipitazioni è sempre situata, nell’emisfero nord, a nord e a est della zona di updraft (U). La zona di downdraft sul lato posteriore sinistro della supercella (Rear Flank Downdraft, RFD) è collegata direttamente alla formazione del tornado, per un motivo che spiegherò di seguito. L’area in cui si forma il tornado è situata tra la zona di moti ascendenti, l’updraft, e la zona di moti discendenti, downdraft, posta sul lato posteriore. L’altra area di downdraft, posta anteriormente è invece chiamata Forward Flank Downdraft (FFD).

Affinché un tornado mesociclonico possa generarsi, due meccanismi sono necessari. Una rotazione interna alla supercella, che avviene grazie a un fenomeno chiamato “tilting”, cioè rovesciamento, e la presenza di un forte downdraft posteriore (RFD).  Come detto in precedenza, queste strutture si formano in un ambiente caratterizzato da un forte wind shear verticale. Al forte wind shear verticale è associata una rotazione, che tecnicamente viene chiamata vorticità orizzontale.

Mi spiego meglio. Se prendiamo una palla da football americano e imprimiamo una rotazione in orizzontale intorno al suo asse maggiore, questa descrive un vortice (linee blu, curvate, indicano il senso della rotazione), in fisica rappresentato dalla componente orizzontale (in questo caso) del vettore vorticità, che altro non è che il rotore della velocità. Nella figura, la linea viola ci indica il cammino seguito da una particella d’aria, che devia verso l’alto quando incontra una zona di convezione, caratterizzata da moti ascendenti e le frecce viola indicano l’orientamento del vettore vorticità, prima orizzontale, poi verticale. Il wind shear verticale determina quindi una vorticità orizzontale iniziale (freccia viola orientata verso destra), cioè imprime una rotazione orizzontale all’ambiente.

Quando la vorticità orizzontale incontra un’area caratterizzata da forte updraft, quindi da forti moti verticali ascensionali, la rotazione cambia. Immaginiamo che la palla rotante venga qui “ribaltata” di 90 gradi, in modo da assumere una rotazione verticale. Le frecce viola, che rappresentano la vorticità, sono ora indirizzate verso l’alto e la particella è trasportata in quota. Questo fenomeno è chiamato tilting e rappresenta un ribaltamento della vorticità orizzontale in vorticità verticale, caratteristica tipica di un tornado.

Si è così formata una zona denominata di “updraft rotante” in quota, che imprime una rotazione a tutta la supercella, con formazione del mesociclone. Il primo step per la formazione del tornado è così garantito, ma, come detto, non basta. Nel secondo step entra in gioco il downdraft situato posteriormente nella supercella. Queste correnti discendenti hanno la capacità di trasferire la vorticità verticale confinata in quota, negli strati più bassi, sino alla superficie.

La dinamica è molto più complessa, ma per semplicità immaginiamo che vi sia un vero e proprio trasferimento verso il basso di quella rotazione verticale presente in quota. In sostanza la zona di updraft e quella di downdraft si trovano a interagire, garantendo una rotazione verticale anche negli strati più bassi. Se questa rotazione, che ha ormai raggiunto la superficie, viene ulteriormente intensificata, per cause complesse legate alla fisica (vedi appendice tecnica per maggiori informazioni) si ha la formazione del tornado vero e proprio.

Questo succede solo nel 20% dei casi, secondo le simulazioni fatte in alcuni studi. Un gradiente di temperatura non eccessivo tra l’area di updraft (più calda) e quella di downdraft (più fredda), ad esempio, sembrerebbe favorire la formazione del tornado. Il Met Office ha prodotto un videointeressante che prova a sintetizzare il tutto.

Tornado non-mesociclonici

Solitamente meno intensi, in genere non sono associati a supercelle, si sviluppano in un ambiente caratterizzato da una vorticità verticale già pre-esistente (ad esempio lungo le linee di convergenza). In queste strutture, il wind shear verticale è debole, al contrario dei mesocicloni, e prevale la convezione. L’intensificazione di questa vorticità pre-esistente porta alla formazione di misocicloni (da non confondere con i meso-cicloni), piccoli vortici che, intensificandosi ulteriormente, possono portare alla formazione dei tornado veri e propri, spesso sotto forma di trombe marine (o waterspouts), che noi tutti conosciamo (landspouts se invece si formano in terra).

I tornado aumenteranno in futuro?

Chiariti i meccanismi di formazione dei tornado, rimane da rispondere a una domanda sul loro possibile aumento con il riscaldamento globale. La risposta è che, per il momento, non lo sappiamo. Un modo per studiare i tornado è quello di concentrarsi su alcuni parametri a essi associati, come il wind shear, che abbiamo già definito, o il CAPE (Convective Available Potential Energy), legato alla convezione e all’energia potenziale disponibile nell’ambiente, precursori che possono darci delle informazioni sulla formazione dei tornado, in quanto alti valori di questi precursori sono spesso associati ai tornado. Ma l’associazione non è così chiara e netta. Inoltre i modelli climatici in alcuni casi, ci dicono che mentre il CAPE tenderà mediamente ad aumentare a causa dell’aumento della temperatura, il wind shear, potrebbe invece diminuire (Brooks 2012), a causa di un gradiente di temperatura tra equatore e poli sempre meno accentuato legato al fenomeno di amplificazione artica.

Capire quale dei due fattori prevarrà è difficile, cosi come capire se in questo contesto i tornado saranno favoriti o sfavoriti rispetto ad altri eventi estremi associati a supercelle. Alcuni modelli mostrano un aumento del CAPE più marcato e questo suggerisce che i tornado potrebbero aumentare in futuro. Ma l’incertezza è ancora tanta.

Uno studio recente (Miglietta et al. 2017) ha evidenziato come le temperature marine superficiali anomale (temperature di 1°C maggiori rispetto alla media 1985-2005) nel Mar Ionio abbiano favorito la formazione del tornado di Taranto del 28 novembre 2012, che ha provocato un morto e decine di milioni di euro di danni. Nella loro simulazione dell’evento tarantino, infatti, gli scienziati evidenziano come con temperature marine superficiali nella media e quindi inferiori di un solo grado, quella struttura a supercella che ha generato il tornado non si sarebbe formata. Le temperature del Mar Mediterraneo, cosi come quelle degli oceani globali, stanno effettivamente aumentando e questo è un altro fattore che potrebbe giocare un ruolo, specie nell’area mediterranea, su una maggiore presenza di condizioni ambientali favorevoli alla formazione di tornado.

In conclusione, i tornado sono eventi estremi distruttivi con cui abbiamo da sempre convissuto. Le nostre attuali conoscenze e la quantità di dati a disposizione, specie in Italia, non ci permettono di dare delle risposte chiare riguardo un loro possibile aumento in intensità e frequenza nel futuro, a causa del riscaldamento globale.

Le immagini spaventose degli ultimi tornado ci suggeriscono la massima attenzione in vicinanza di fenomeni di questo tipo. Girare un video in prossimità di una tromba d’aria o fermarsi all’entrata di un locale, nel cuore di un tornado, per ammirarne la sua potenza non è mai scelta saggia. Questo si, possiamo dirlo con molta sicurezza.

Per saperne di più

La formazione di vorticità verticale e, eventualmente, del tornado può essere spiegata facendo riferimento all’equazione che esprime il tasso di cambiamento di vorticità assoluta:

Eq 1: tasso di cambiamento della vorticità assoluta come somma dei termini avvettivi (I membro a destra), di tilting (II membro) e di stretching o solenoidale (III membro). Da Holton J.R., 2004

Nell’equazione i tre membri alla destra dell’eguaglianza sono rispettivamente i termini di divergenza, di tilting e di stretching. Questa equazione deriva dalle equazioni del moto o del momento orizzontale (Eq. Naviers Stokes) e ci fornisce un’indicazione sui fattori che influenzano la vorticità verticale.

L’importanza del tilting

Il termine di tilting ha un ruolo centrale nella formazione del mesociclone, come abbiamo visto nell’articolo, in quanto determina un ribaltamento della vorticità orizzontale legata al wind shear verticale. Il mesociclone sarà caratterizzato da due o più vortici con orientamento opposto, uno ciclonico (con segno positivo) e uno anticiclonico (segno negativo) e da una direzione del vento prevalente in quota da ovest verso est alle medie latitudini dell’emisfero nord. I due segni opposti sono dati dal fatto che sul lato a sud del mesociclone (a sinistra nella figura) vi è un aumento dell’updraft con un massimo tra le due rotazioni cicloniche, ovvero la variazione della velocità verticale, w, con l’orizzontale (dw/dy) è positiva.

Superato il massimo, la velocità verticale tenderà a diminuire e quindi cambierà di segno la sua variazione con l’orizzontale e quindi il segno del tilting nell’equazione. Questo porta a due vortici di segno opposto. In presenza di un vento che cambia non solo in intensità, ma anche in direzione (rotazione oraria) con la quota, il vortice anticiclonico posto a nord viene trasportato fuori dalla tempesta (termine avvettivo nell’equazione), per meccanismi legati a gradienti di pressione locali. La formazione del tornado è garantita solo quando la vorticità verticale del mesociclone è trasferita in superficie, grazie al downdraft posteriore (rear flank downdraft). Per cause riconducibili alla convergenza di masse d’aria verso l’asse di rotazione della massa d’aria rotante, alla conservazione del momento angolare e alla conservazione della massa, la vorticità può intensificarsi ulteriormente (è il termine di stretching nell’equazione che fornisce questo aumento esponenziale di vorticità) e il tornado si forma.

Roberto Ingrosso

www.sinapsimag.it





 

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