Taglio del vento -Wind shear

Pennacchi di cristalli di ghiaccio di Cirrus uncinus che mostrano wind shear di alto livello, con cambiamenti nella velocità e nella direzione del vento

Il wind shear (o windshear ) , a volte indicato come gradiente del vento , è una differenza di velocità e/o direzione del vento su una distanza relativamente breve nell'atmosfera . Il wind shear atmosferico è normalmente descritto come wind shear verticale o orizzontale. Il wind shear verticale è un cambiamento nella velocità o nella direzione del vento con un cambiamento di altitudine. Il wind shear orizzontale è un cambiamento nella velocità del vento con un cambiamento nella posizione laterale per una data altitudine.

Il wind shear è un fenomeno meteorologico su microscala che si verifica su una distanza molto piccola, ma può essere associato a caratteristiche meteorologiche su scala mesoscala o sinottica come linee di burrasca e fronti freddi. È comunemente osservato vicino a microburst e downburst causati da temporali , fronti, aree di venti di basso livello localmente più alti indicati come getti di basso livello, vicino a montagne , inversioni di radiazione che si verificano a causa di cieli sereni e venti calmi, edifici, turbine eoliche, e barche a vela. Il wind shear ha effetti significativi sul controllo di un aeromobile ed è stato l'unica o una concausa di molti incidenti aerei.

Il movimento del suono attraverso l'atmosfera è influenzato dal wind shear, che può piegare il fronte d'onda, facendo sì che i suoni vengano uditi dove normalmente non lo farebbero, o viceversa. Anche un forte wind shear verticale all'interno della troposfera inibisce lo sviluppo dei cicloni tropicali , ma aiuta a organizzare i singoli temporali in cicli di vita più lunghi che possono quindi produrre condizioni meteorologiche avverse . Il concetto di vento termico spiega come le differenze di velocità del vento a diverse altezze dipendono dalle differenze di temperatura orizzontali e spiega l'esistenza della corrente a getto .

I venti discendenti con la virga associata consentono a queste nuvole nel cielo orientale al crepuscolo civile di imitare l'aurora boreale nel deserto del Mojave .

Definizione

Il wind shear si riferisce alla variazione della velocità del vento su distanze orizzontali o verticali. I piloti di aeroplani generalmente considerano il wind shear significativo come una variazione orizzontale della velocità di 30 nodi (15 m/s) per gli aerei leggeri e di circa 45 nodi (23 m/s) per gli aerei di linea a quota di volo. Anche le variazioni di velocità verticale superiori a 4,9 nodi (2,5 m/s) si qualificano come wind shear significativo per gli aeromobili. Il wind shear di basso livello può influenzare la velocità dell'aereo durante il decollo e l'atterraggio in modi disastrosi, ei piloti di aerei di linea sono addestrati a evitare tutti i microburst wind shear (perdita di vento contrario superiore a 30 nodi [15 m/s]). La motivazione di questa ulteriore cautela include:

  • l'intensità del microburst può raddoppiare in un minuto o meno,
  • i venti possono passare a venti trasversali eccessivi,
  • 40-50 nodi (21-26 m/s) è la soglia per la sopravvivenza in alcune fasi delle operazioni a bassa quota, e
  • molti degli storici incidenti di wind shear hanno coinvolto microburst di 35–45 nodi (18–23 m / s).

Anche il wind shear è un fattore chiave nella formazione di forti temporali. Il rischio aggiuntivo di turbolenza è spesso associato al wind shear.

Evento

Schema di microburst dalla NASA. La direzione di marcia è verso il basso finché la corrente d'aria non raggiunge il livello del suolo, a quel punto si diffonde verso l'esterno in tutte le direzioni. Il regime del vento in un microburst è completamente opposto a un tornado.

Le situazioni meteorologiche in cui si osserva il taglio includono:

  • Fronti meteorologici . Si osserva un taglio significativo quando la differenza di temperatura sulla parte anteriore è di 5 ° C (9 ° F) o più e la parte anteriore si muove a 30 nodi (15 m / s) o più velocemente. Poiché i fronti sono fenomeni tridimensionali, il taglio frontale può essere osservato a qualsiasi altitudine tra la superficie e la tropopausa , e può quindi essere visto sia orizzontalmente che verticalmente. Il wind shear verticale sopra i fronti caldi è più un problema per l'aviazione che vicino e dietro i fronti freddi a causa della loro maggiore durata.
  • Correnti a getto di livello superiore. Associato alle correnti a getto di livello superiore è un fenomeno noto come turbolenza dell'aria chiara (CAT), causato dal wind shear verticale e orizzontale connesso al gradiente del vento ai margini delle correnti a getto. Il CAT è più forte sul lato di taglio anticiclonico del getto, di solito accanto o appena sotto l'asse del getto.
  • Correnti a getto di basso livello. Quando un getto notturno di bassa quota si forma durante la notte sopra la superficie terrestre davanti a un fronte freddo, un significativo wind shear verticale di bassa quota può svilupparsi vicino alla porzione inferiore del getto di bassa quota. Questo è anche noto come wind shear non convettivo in quanto non è dovuto a temporali vicini.
  • Montagne.
  • Inversioni . Quando in una notte limpida e calma si forma un'inversione di radiazione vicino al suolo, l' attrito non influenza il vento sopra la parte superiore dello strato di inversione. Il cambio di vento può essere di 90 gradi in direzione e 40 nodi (21 m/s) in velocità. A volte si può osservare anche un getto notturno (notturno) a bassa quota. Tende ad essere più forte verso l'alba. Le differenze di densità causano ulteriori problemi all'aviazione.
  • Downburst . Quando si forma un confine di deflusso a causa di uno strato superficiale di aria raffreddata dalla pioggia che si diffonde vicino al livello del suolo dal temporale principale, sia la velocità che il wind shear direzionale possono risultare sul bordo anteriore del confine tridimensionale. Più forte è il confine di deflusso , più forte diventerà il wind shear verticale risultante.

Componente orizzontale

Fronti meteorologici

I fronti meteorologici sono confini tra due masse d'aria di diversa densità , o diverse proprietà di temperatura e umidità, che normalmente sono zone di convergenza nel campo dei venti e sono la principale causa di condizioni meteorologiche significative. All'interno delle analisi meteorologiche superficiali, sono rappresentati utilizzando varie linee e simboli colorati. Le masse d'aria di solito differiscono in temperatura e possono anche differire in umidità . Il wind shear in orizzontale si verifica vicino a questi confini. I fronti freddi sono caratterizzati da strette bande di temporali e maltempo e possono essere preceduti da linee di burrasca e linee di asciutto . I fronti freddi sono confini di superficie più nitidi con un wind shear orizzontale più significativo rispetto ai fronti caldi. Quando un fronte diventa stazionario , può degenerare in una linea che separa le regioni con diversa velocità del vento, nota come linea di taglio , sebbene la direzione del vento attraverso il fronte rimanga normalmente costante. Ai tropici , le onde tropicali si muovono da est a ovest attraverso i bacini dell'Atlantico e del Pacifico orientale . Il taglio direzionale e di velocità può verificarsi lungo l'asse delle onde tropicali più forti, poiché i venti settentrionali precedono l'asse delle onde e i venti sudorientali sono visti dietro l'asse delle onde. Il wind shear orizzontale può verificarsi anche lungo i confini della brezza terrestre locale e della brezza marina .

Vicino alle coste

Wind shear lungo la costa con nubi basse in movimento verso est e nubi più alte in movimento verso sud-ovest

L'entità dei venti al largo è quasi il doppio della velocità del vento osservata a terra. Ciò è attribuito alle differenze di attrito tra le masse continentali e le acque al largo. A volte ci sono anche differenze direzionali, in particolare se le brezze marine locali cambiano il vento a terra durante le ore diurne.

Componente verticale

Vento termico

Il vento termico è un termine meteorologico che non si riferisce ad un vento reale , ma ad una differenza nel vento geostrofico tra due livelli di pressione p 1 e p 0 , con p 1 < p 0 ; in sostanza, wind shear. È presente solo in un'atmosfera con variazioni orizzontali di temperatura (o in un oceano con gradienti orizzontali di densità ), cioè baroclinicità . In un'atmosfera barotropica , dove la temperatura è uniforme, il vento geostrofico è indipendente dall'altezza. Il nome deriva dal fatto che questo vento scorre intorno alle zone di bassa (e alta) temperatura nello stesso modo in cui il vento geostrofico scorre intorno alle zone di bassa (e alta ) pressione .

L' equazione del vento termico è

dove φ sono campi di altezza geopotenziale con φ 1 > φ 0 , f è il parametro di Coriolis e k è il vettore unitario rivolto verso l'alto nella direzione verticale . L'equazione del vento termico non determina il vento ai tropici . Poiché f è piccolo o zero, come vicino all'equatore, l'equazione si riduce ad affermare che ∇( φ 1φ 0 ) è piccolo.

Questa equazione descrive fondamentalmente l'esistenza della corrente a getto, una corrente d'aria occidentale con velocità massime del vento vicine alla tropopausa che è (sebbene anche altri fattori siano importanti) il risultato del contrasto di temperatura tra l'equatore e il polo.

Effetti sui cicloni tropicali

Il forte wind shear nell'alta troposfera forma la cima a forma di incudine di questo cumulonembo maturo , o temporale.

I cicloni tropicali sono, in sostanza, motori termici alimentati dal gradiente di temperatura tra la calda superficie dell'oceano tropicale e l'alta atmosfera più fredda. Lo sviluppo dei cicloni tropicali richiede valori relativamente bassi di wind shear verticale in modo che il loro nucleo caldo possa rimanere al di sopra del loro centro di circolazione superficiale, promuovendo così l'intensificazione. Il wind shear verticale fa a pezzi i "macchinari" del motore termico causandone la rottura. I cicloni tropicali fortemente tagliati si indeboliscono quando la circolazione superiore viene spazzata via dal centro di basso livello.

Effetti su temporali e maltempo

I forti temporali, che possono generare tornado e grandinate, richiedono il wind shear per organizzare la tempesta in modo tale da mantenerla per un periodo più lungo. Ciò si verifica quando l'afflusso della tempesta si separa dal suo deflusso raffreddato dalla pioggia. Un getto notturno o notturno in aumento a bassa quota può aumentare il potenziale di condizioni meteorologiche avverse aumentando il wind shear verticale attraverso la troposfera. I temporali in un'atmosfera praticamente senza wind shear verticale si indeboliscono non appena emettono un confine di deflusso in tutte le direzioni, che poi interrompe rapidamente il suo afflusso di aria relativamente calda e umida e fa dissipare il temporale.

Strato limite planetario

Rappresentazione di dove si trova lo strato limite planetario in una giornata di sole

L'effetto atmosferico dell'attrito superficiale con i venti in alto costringe i venti superficiali a rallentare e tornare indietro in senso antiorario vicino alla superficie della Terra soffiando verso l'interno attraverso le isobare (linee di uguale pressione) rispetto ai venti nel flusso senza attrito ben al di sopra della superficie terrestre. Questo strato in cui l'attrito rallenta e cambia il vento è noto come lo strato limite planetario , a volte lo strato di Ekman , ed è più spesso durante il giorno e più sottile di notte. Il riscaldamento diurno ispessisce lo strato limite poiché i venti in superficie diventano sempre più mescolati con i venti in quota a causa dell'insolazione o del riscaldamento solare. Il raffreddamento radiativo durante la notte migliora ulteriormente il disaccoppiamento del vento tra i venti in superficie e i venti sopra lo strato limite calmando il vento in superficie che aumenta il wind shear. Questi cambi di vento forzano il wind shear tra lo strato limite e il vento in quota e sono maggiormente enfatizzati di notte.

Effetti sul volo

Scivolare
Lancio a terra dell'aliante influenzato dal wind shear

Nel volo a vela, i gradienti del vento appena sopra la superficie influenzano le fasi di decollo e atterraggio del volo di un aliante . Il gradiente del vento può avere un effetto notevole sui lanci a terra , noti anche come lanci con verricello o lanci a filo. Se il gradiente del vento è significativo o improvviso, o entrambi, e il pilota mantiene lo stesso assetto di beccheggio, la velocità indicata aumenterà, eventualmente superando la velocità massima di traino di lancio al suolo. Il pilota deve regolare la velocità per far fronte all'effetto del gradiente.

Durante l'atterraggio, anche il wind shear è un pericolo, in particolare quando i venti sono forti. Man mano che l'aliante scende attraverso il gradiente del vento durante l'avvicinamento finale all'atterraggio, la velocità diminuisce mentre il tasso di caduta aumenta e non c'è tempo sufficiente per accelerare prima del contatto con il suolo. Il pilota deve anticipare il gradiente del vento e utilizzare una velocità di avvicinamento maggiore per compensarlo.

Il taglio del vento è anche un pericolo per gli aeromobili che effettuano virate ripide vicino al suolo. È un problema particolare per gli alianti che hanno un'apertura alare relativamente lunga , che li espone a una maggiore differenza di velocità del vento per un dato angolo di inclinazione laterale . La diversa velocità sperimentata da ciascuna estremità dell'ala può provocare uno stallo aerodinamico su un'ala, causando un incidente con perdita di controllo.

Paracadutismo

Il wind shear oi gradienti del vento rappresentano una minaccia per i paracadutisti, in particolare per il BASE jumping e il volo con tuta alare . I paracadutisti sono stati spinti fuori rotta da improvvisi cambiamenti di direzione e velocità del vento e si sono scontrati con ponti, scogliere, alberi, altri paracadutisti, terreno e altri ostacoli. I paracadutisti regolano regolarmente la posizione delle loro vele aperte per compensare i cambi di direzione durante gli atterraggi per prevenire incidenti come collisioni e inversioni della vela.

Impennata

Il volo in volo correlato al wind shear, chiamato anche volo dinamico , è una tecnica utilizzata da uccelli in volo come gli albatros , che possono mantenere il volo senza sbattere le ali. Se il wind shear è di entità sufficiente, un uccello può arrampicarsi nel gradiente del vento, scambiando la velocità al suolo con l'altezza, pur mantenendo la velocità relativa. A quel punto, girando sottovento e tuffandosi attraverso il gradiente del vento, possono anche guadagnare energia. È stato utilizzato anche dai piloti di alianti in rare occasioni.

Anche il wind shear può produrre onde . Ciò si verifica quando un'inversione atmosferica separa due strati con una marcata differenza di direzione del vento. Se il vento incontra distorsioni nello strato di inversione causate da termiche che salgono dal basso, produrrà onde di taglio significative che possono essere utilizzate per il volo.

Impatto sugli aerei passeggeri
Effetto del wind shear sulla traiettoria dell'aeromobile. Nota come la semplice correzione del fronte di raffica iniziale può avere conseguenze disastrose.
Relitto della sezione di coda del volo Delta Air Lines 191 dopo che un microburst ha fatto schiantare l'aereo al suolo. Un altro aereo può essere visto volare sullo sfondo oltre la scena dell'incidente.

Il windshear può essere estremamente pericoloso per gli aerei, specialmente durante il decollo e l'atterraggio. Cambiamenti improvvisi nella velocità del vento possono causare rapide diminuzioni della velocità , portando l'aereo a non essere in grado di mantenere l'altitudine. Windshear è stato responsabile di diversi incidenti mortali, tra cui il volo 66 della Eastern Air Lines , il volo 759 della Pan Am , il volo 191 della Delta Air Lines e il volo 1016 della USAir .

Windshear può essere rilevato utilizzando il radar Doppler. Gli aeroporti possono essere dotati di sistemi di allarme windshear di basso livello o radar meteorologici Doppler terminali e gli aeromobili possono essere dotati di sistemi di rilevamento e allarme wind shear in volo . In seguito allo schianto del volo Delta Air Lines 191 nel 1985, nel 1988 la Federal Aviation Administration degli Stati Uniti ha imposto a tutti gli aerei commerciali di disporre di sistemi di rilevamento e allarme del wind shear in volo entro il 1993. L'installazione di stazioni radar meteorologiche Terminal Doppler ad alta risoluzione in molti aeroporti statunitensi che sono comunemente influenzati dal windshear ha ulteriormente aiutato la capacità dei piloti e dei controllori di terra di evitare condizioni di windshear.

Navigazione

Il wind shear influisce sulle barche a vela in movimento presentando una diversa velocità e direzione del vento a diverse altezze lungo l' albero . L'effetto del wind shear di basso livello può essere preso in considerazione nella selezione della torsione della vela nel progetto della vela, ma questo può essere difficile da prevedere poiché il wind shear può variare ampiamente in diverse condizioni meteorologiche. I marinai possono anche regolare l'assetto della vela per tenere conto del wind shear di basso livello, ad esempio utilizzando un boma .

Propagazione del suono

Il wind shear può avere un effetto pronunciato sulla propagazione del suono nella bassa atmosfera, dove le onde possono essere "piegate" dal fenomeno della rifrazione . L'udibilità dei suoni provenienti da fonti distanti, come tuoni o colpi di arma da fuoco , dipende molto dalla quantità di taglio. Il risultato di questi diversi livelli sonori è fondamentale nelle considerazioni sull'inquinamento acustico , ad esempio dal rumore stradale e dal rumore degli aerei , e deve essere considerato nella progettazione delle barriere antirumore . Questo fenomeno è stato applicato per la prima volta al campo dello studio dell'inquinamento acustico negli anni '60, contribuendo alla progettazione di autostrade urbane e barriere antirumore .

Trama odografica dei vettori del vento a varie altezze nella troposfera. I meteorologi possono utilizzare questo grafico per valutare il wind shear verticale nelle previsioni meteorologiche. (Fonte: NOAA )

La velocità del suono varia con la temperatura. Poiché la temperatura e la velocità del suono normalmente diminuiscono con l'aumentare dell'altitudine, il suono viene rifratto verso l'alto, lontano dagli ascoltatori a terra, producendo un'ombra acustica a una certa distanza dalla sorgente. Nel 1862, durante la battaglia di Iuka della guerra civile americana , un'ombra acustica, che si credeva fosse stata potenziata da un vento di nord-est, tenne fuori dalla battaglia due divisioni di soldati dell'Unione, perché non potevano sentire i suoni della battaglia solo sei miglia sottovento .

Effetti sull'architettura

L'ingegneria eolica è un campo dell'ingegneria dedicato all'analisi degli effetti del vento sull'ambiente naturale e costruito . Include venti forti che possono causare disagio e venti estremi come tornado , uragani e tempeste che possono causare distruzione diffusa. L'ingegneria del vento attinge alla meteorologia , all'aerodinamica e a diverse discipline ingegneristiche specialistiche. Gli strumenti utilizzati includono modelli climatici, gallerie del vento dello strato limite atmosferico e modelli numerici. Coinvolge, tra gli altri argomenti, il modo in cui gli edifici che colpiscono il vento devono essere contabilizzati in ingegneria.

Le turbine eoliche sono interessate dal wind shear. I profili di velocità del vento verticale determinano velocità del vento diverse alle pale più vicine al livello del suolo rispetto a quelle nella parte superiore della corsa delle pale e questo, a sua volta, influisce sul funzionamento della turbina. Questo wind shear di basso livello può causare un grande momento flettente nell'albero di una turbina a due pale quando le pale sono verticali. Il ridotto wind shear sull'acqua significa che le torri eoliche più corte e meno costose possono essere utilizzate in mari poco profondi.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno