Come illustrato in varie precedenti risposte di vialattea, l’aria calda tende a salire perché risulta meno densa di quella più fredda (in sostanza per il principio di Archimede).
Il riscaldamento del suolo – dovuto all’irraggiamento solare – crea quindi delle bolle di aria calda che tendono a staccarsi dal suolo e salire, creando le cosiddette celle di convezione che, in base alla scala che si esamina, possono essere più o meno grandi.
Ad esempio sulle facciate dei palazzi esposti a sud si genera vento ascendente, che poi ridiscende sulle pareti dei palazzi di fronte esposte a nord. Un esempio a scala globale può invece essere dato dalle celle planetarie, di Hadley, Ferrel, ecc, che si generano a causa della differente insolazione alle varie latitudini.
A scala locale il moto dell’aria può essere sfruttato per il volo planato, come per esempio fanno molti uccelli e i velivoli senza motore. Dalle fiancate assolate di colline e montagne, in condizioni favorevoli, si sollevano masse di aria calda che formano vere e proprie correnti ascensionali, o termiche, che possono raggiungere velocità rilevanti (addirittura qualche metro al secondo), se confrontate con la media delle velocità verticali in atmosfera, che è pressoché nulla.
Per una descrizione più dettagliata del volo a vela sfruttando le correnti termiche si può vedere Colella, ‘Meteorologia aeronautica’, oppure ‘La previsione meteorologica’ di Mario Giuliacci.
Veniamo ora alla rilevazione di correnti d’aria.
Tralasciando per ovvii motivi le tecniche di misura in situ, inutili per il volo a vela, parlerò delle tecniche di telerilevamento esistenti.
La determinazione diretta della densità è molto difficile, ma si possono misurare altre grandezze ad essa correlate. L’indice di rifrazione atmosferico e la velocità del suono sono per esempio strettamente dipendenti dalla densità, e queste sono quantità che si prestano ad essere rilevate a distanza.
Le tecniche possibili si basano infatti sull’utilizzo di onde acustiche o di onde elettromagnetiche, oppure di una combinazione tra le due. Esistono perciò tecniche acustiche, radar ed ottiche.
I sistemi ottici si basano sulle variazioni dell’indice di rifrazione dell’aria associato alle variazioni di densità, pressione, temperatura ed umidità dell’aria. Essi forniscono quindi una misura indiretta, partendo dall’assunto che le correnti ascensionali sono formate da bolle casualmente distribuite. Le disomogeneità osservabili in atmosfera danno di conseguenza un’idea della presenza di correnti ascensionali.
Misurare direttamente la velocità del vento a partire dall’effetto doppler nel visibile richiede, invece, attrezzature sofisticatissime e conoscenze molto specifiche.
Tornando alle misure indirette, si può notare che nelle sere estive, quando la convezione dura fino a notte inoltrata a causa del riscaldamento diurno del suolo, è frequentissimo vedere i lampioni lontani che tremolano. In inverno, invece, quando l’inversione termica notturna stabilizza i bassi strati di atmosfera, le luci lontane appaiono ferme e nitide. D’estate, inoltre, anche il tremolìo della strada innanzi a noi è indice della presenza di bolle di aria calda in ascesa. Notare che, invece, in presenza di vento costante la turbolenza è molto minore ed il moto dell’aria molto più uniforme.
Strumenti atti a misure quantitative di questi parametri sono i cosiddetti scintillometri (da non confondere con gli scintillometri contatori di particelle). Uno scintillometro uitilizza questi brillamenti per misurare la turbolenza dell’aria, che può quindi essere considerata un indice della presenza di correnti ascensionali.
Esso è costituito da un trasmettitore di luce ed un rivelatore a mosaico, che valuta le variazioni nel tempo della luminosità nei vari pixel, e permette di correlare queste fluttuazioni con la turbolenza connessa alla convezione.
Per maggiori dettagli vedere i siti di due tra i costruttori di scintillometri: www.kippandzonen.com oppure www.scintec.com.
Nella figura è spiegata l’origine delle scintillazioni, dovute al passaggio della bolla con indice di rifrazione n’, minore di quello dell’aria circostante e che si comporta quindi da lente ‘negativa’. Il caso opposto è ovviamente ugualmente possibile, con la differenza che la deviazione dei raggi sarà opposta.
Per le proprietà dell’indice di rifrazione atmosferico si può invece consultare la mia precedente risposta: http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=9608.
Il difetto di questo sistema è che consente unicamente misurazioni integrate su tutto il cammino ottico, per cui la localizzazione di correnti va ricavata con l’esperienza in base alla topografia ed alla geografia del luogo. Altra caratteristica che lo rende scomodo è che occorre installare ricevitore e trasmettitore su due sponde opposte, distanti e probabilmente poco raggiungibili nel caso di impiego per il volo libero.
Ovviamente, inoltre, non si possono pretendere misure quantitative della velocità delle correnti con questo sistema. Qualora ciò fosse di vitale importanza, occorre ricorrere ad altri più sofisticati, ingombranti, complessi -e quindi costosi- apparati.
A scale più piccole, lo stesso principio è sfruttato dalla tecnica Schlieren, che permette di visualizzare le differenze di indice di rifrazione connesso alla densità dell’aria per rivelare correnti termiche dentro una stanza o fughe di gas da condotte.
Uno strumento che può invece fornire direttamente una misura (da terra) del campo di velocità, con raggio utile fino a circa 1 Km, è il sodar doppler, una copia atmosferica del sonar, che basandosi sull’emissione di onde acustiche e sulla detezione dell’eco diffuso dalle disomogeneità atmosferiche permette di ricostruire sia il campo della turbolenza, sia il campo delle velocità del vento. E’ uno strumento comunemente utilizzato nella ricerca atmosferica, ma è costoso, ingombrante e soprattutto poco trasportabile e di difficile gestione, anche se mi sembra che ultimamente siano disponibili dei modelli commerciali trasportabili e user friendly. Tra l’altro nel caso di volo a vela non ci sarebbero problemi di rumore prodotto dal motore, quindi un sistema portatile potrebbe funzionare. Non so se ne esistano di specifici.
In base allo spostamento doppler della frequenza ricevuta rispetto a quella emessa si riesce a calcolare la velocità del vento radialmente allo strumento, che si presenta più o meno come una grossa tromba di plastica. Utilizzando tre antenne inclinate nei tre assi si può avere il profilo di velocità nelle tre componenti. Esistono anche dei sistemi ad array che permettono lo stesso calcolo basandosi sulla differenza di fase tra le diverse serie di ricevitori, come i radar ad array.
Per una breve spiegazione sul funzionamento del sodar consultare ad
esempio
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Esistono anche radar doppler, funzionanti con onde VHF in grado di rilevare il campo di velocità, ma di costo elevato e notevole difficoltà operativa. Anche in questo campo, però, esistono sistemi commerciali, come ad esempio quelli prodotti dalla Scintek.