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Didattica tornado

I TORNADO - 3° Capitolo: “struttura e classificazione di dannosità”

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Presentazione1Parliamo di “struttura” perché un tornado non è un vortice d'aria uniforme in tutta la sua sezione ed estensione ed ancor prima di classificarne le numerose tipologie, nel prossimo capitolo, sarà utile ed opportuno conoscerne l’aspetto strutturale e le sue dinamiche d’azione sulla superficie terrestre. La classificazione del tornado, in relazione ai danni causati, è legato però solo al secondo aspetto, come vedremo.

STRUTTURA E DINAMICHE D’AZIONE DEL TORNADO

I presupposti concettuali più significativi riguardano i seguenti punti enunciati nel prezioso documento “The structure of the tornado” di Peter Thomson:

  • C'è una differenza distinta in caratteristiche dinamiche diverse tra la sezione di vortice centrale ed il vortice di turbolenza esterno.
  • La regione interna (il core del tornado) ha orli lisci e rotazioni con doppio flusso verticale e cioè sia ascendente che discendente.
  • Il vortice esterno (regione periferica) muove rapidamente dalla superficie terrestre alla base del vortice interno.
  • Condensando vapore il vortice esterno acquisisce nuova e marcata dinamicità.
  • Il vortice esterno custodisce velocità di rotazione maggiori rispetto a quello interno.
  • I detriti al suolo vengono violentemente proiettati verso l'alto e verso l’esterno (debris cloud).
  • Il vortice di turbolenza esterno si rende visibile a causa della condensazione di vapore acqueo a causa dell’espansione dell’aria in quel punto e non per il risucchio di polveri o acqua (nel caso di waterspout) come spesso ed erroneamente si pensa.
  • Il funnel è provocato dalla drastica riduzione di pressione dell’aria che, in quel punto, viene centrifugata fuori dal vortice. Questo processo dinamico produce un downdraft interno (osservato dal radar doppler mobile) che abbassa ulteriormente la pressione per poi originare saturazione nel funnel. Se non ci sono valori di umidità sufficiente non ci sarà tuttavia la comparsa di una nube rotante visibile.
  • Un afflusso di aria tangenziale ed interna al tornado solleva polvere dalla superficie colpita. Questo afflusso di aria si origina prima di arrivare al centro del vortice per cui non fa parte del core del tornado.
  • La debris non è un tipo di nube nel senso meteorologico del termine ma una nube artificiale e cioè costituita da polveri e detriti sollevati dal tornado sulla superficie terrestre al suo passaggio. E’ sempre visibile, perché non v’è tipologia di superficie terrestre che non ceda ai vorticosi e potenti venti di un tornado una parte dei suoi elementi costituenti (sabbia, terra, pietre, frammenti rocciosi, erba, frasche, rami, alberi, pezzi di varia natura, grandezza e peso).
  • Il “punto d’impatto iniziale” di un tornado viene denominato “touch down”, mentre l’area colpita di volta in volta durante l’azione e movimento del tornado viene chiamata “area d’azione” (action area) oppure path (che può tradursi in “percorso”).
  • Infine chiameremo “collettore” (collector) quel settore del tornado coincidente con l’area di collegamento con la base del cumulonembo o, se esistente, della wall cloud.

Nell’immagine seguente potrete osservare un quadro riassuntivo delle componenti strutturali di un tornado e dei suoi effetti collaterali che ne costituiscono parte integrante:

tornado_structure

Il Journal Of The Atmospheric Sciences, a pag. 2908, pubblicò, nel novembre del 1997, ben 30 pagine dedicate alla struttura ed alla dinamica dei tornado come vortici con il documento didattico intitolato The structure and dynamics of tornado-like vortices.

Il documento (redatto in inglese da David S. Nolan e Brian F. Farrel) è disponibile su questo link e costituisce un approfondimento di assoluto fascino scientifico in relazione ai tornado.

CLASSIFICAZIONE DEI TORNADO

Tetsuya Theodore Fujita* è lo scienziato che per primo studiò teoricamente ed analiticamente i tornado in relazione ai danni causati alle varie tipologie di elementi e strutture.

I suoi studi culminarono nel 1971 con l'ideazione e la pubblicazione della scala di misura in collaborazione con Allan Pearson, responsabile del Centro di Previsione Meteorologica di Kansas City, in Missouri.

*Nota: Tetsuya Theodore “Ted„ Fujita (23 ottobre 1920 - 19 novembre 1998) ha studiato presso l’Istituto di tecnologia di Kyushu nel quale ha svolto attività di docenza fino al 1953, anno in cui è stato invitato all'Università di Chicago da uno scienziato interessato alla sua ricerca. Stava per essere svelata al mondo la famigerata Scala Fujita.

fujita_MPI

Si tratta di un metodo di distinzione empirico e non si basa sull'acquisizione di dati ottenuti dall’analisi dell’azione dinamica del tornado durante la sua azione.

L’impossibilità della misurazione di dati all’uopo costituiva e, in parte, costituisce ancor oggi, un’impresa davvero ardua e, per i tornado più potenti, pressoché impossibile.

Questa scala di categorie resiste tuttora, sebbene con alcune implementazioni ufficiali che vedremo in seguito, ed è riportata nell’immagine seguente con le corrispettive descrizioni:

Categoria

Velocità del vento

Frequenza statistica

Danni potenziali

mph

km/h

F0

<73

<116

37.9%

Danni leggeri. Alcuni danni ai comignoli e caduta di rami, cartelli stradali divelti.

F1

73–112

116–180

34.6%

Danni moderati. Asportazione di tegole; danneggiamento di case prefabbricate; auto fuori strada.

F2

113–157

181–253

18.4%

Danni considerevoli. Scoperchiamento di tetti; distruzione di case prefabbricate; ribaltamento di camion; sradicamento di grossi alberi; sollevamento di auto da terra.

F3

158–206

254–332

5.9%

Danni gravi. Asportazione tegole o abbattimento di muri di case in mattoni; ribaltamento di treni; sradicamento di alberi anche in boschi e foreste; sollevamento di auto pesanti dal terreno.

F4

207–260

333–418

2.1%

Danni devastanti. Distruzione totale di case in mattoni. ; strutture con deboli fondazioni scagliate a grande distanza; sollevamento totale di auto ad alta velocità.

F5

261–318

419–512

1.1%

Danni incredibili. Case sollevate dalle fondamenta e scaraventate talmente lontano da essere disintegrate; automobili scaraventate in aria come missili per oltre 100 metri; alberi sradicati.

La scala Fujita dei tornado è concepita in maniera tale da suddividere in 12 parti l'intervallo fra il 12° grado della scala Beaufort* e la velocità del suono (Mach 1). La velocità del vento può essere calcolata con la formula:

Vt = 6,30(F + 2) x 1,5

dove Vt è la velocità del vento (m/s) e F è il grado di intensità del tornado nella scala.

Fujita_beaufort

Secondo il Prof. Fujita il massimo potenziale teorico delle variabili atmosferiche non può superare il valore F5. Per fare un esempio, un ipotetico tornado di classe F12 corrisponderebbe una velocità del vento di Mach 1, ossia la velocità del suono, pari a circa 1235 km/h.

*Nota: la Scala Beaufort è una misura empirica dell'intensità del vento basata sullo stato del mare (ci si riferisce al mare aperto, a grande distanza dalle coste) o le condizioni delle onde.

Anche se la velocità del vento può essere misurata con buona precisione mediante un anemometro, che esprime un valore in nodi o in chilometri l'ora, un marinaio dovrebbe saper stimare questa velocità già con la sola osservazione degli effetti del vento sull'ambiente.

Il merito di avere perfezionato, nel 1805, una scala contenente dei criteri relativamente precisi per quantificare il vento in mare e permettere in tal modo la diffusione di informazioni affidabili e universalmente comprese sulle condizioni di navigazione si deve All'Ammiraglio britannico Francis Beaufort (1774 - 1857) sulla base delle precedenti teorie di Alexander Dalrymple. Questo sistema di valutazione ha validità internazionale dal 1º gennaio 1949.

Un grado Beaufort corrisponde alla velocità media di un vento di dieci minuti di durata. Di conseguenza, benché spesso usata, un'espressione come, ad esempio, "un vento di 4 Beaufort con raffiche di 6", è scorretta.

Alla scala furono poi aggiunte da Fujita le altre applicazioni per porla in sinergia con i venti di un tornado ed i suoi effetti distruttivi.

Dal 1° febbraio 2007 è stata adottata ed introdotta a livello internazionale la nuova scala Fujita-Pearson, denominata dal team di meteorologi americani dello Storm Prediction Center (SPC) Enhanced Fujita scale (EF) o scala Fujita avanzata:

FUJITA SCALE

DERIVED EF SCALE

OPERATIONAL EF SCALE

F Number

Fastest 1/4-mile (mph)

3 Second Gust (mph)

EF Number

3 Second Gust (mph)

EF Number

3 Second Gust (mph)

0

40-72

45-78

0

65-85

0

65-85

1

73-112

79-117

1

86-109

1

86-110

2

113-157

118-161

2

110-137

2

111-135

3

158-207

162-209

3

138-167

3

136-165

4

208-260

210-261

4

168-199

4

166-200

5

261-318

262-317

5

200-234

5

Over 200

 

Tutti i dettagli in questi links relativi al sito del NOAA:

http://www.spc.noaa.gov/faq/tornado/ef-scale.html

http://www.spc.noaa.gov/efscale/

STIMA DELLA CLASSIFICAZIONE DI UN TORNADO

La metodologia estimativa era, fino a qualche anno fa, quella esclusivamente utilizzata allo scopo di attribuire ad un tornado un certo valore in relazione alla scala Fujita. Anche perché non era possibile procedere con metodi di rilevazione strumentale. Esistono ora, evidentemente, due tipologie estimative ed un metodo di rilevazione strumentale:

La stima sintetica viene eseguita quando il tornado è "operativo" e sulla base dell'esperienza dell'osservatore, che, sulla base di dati certi (analitici) già acquisiti in precedenza, associa ad un tornado una certa classificazione soprattutto in relazione a fattori visivi di immediata valutazione:
- altezza, larghezza e forma della "debris cloud";
- sollevamento di oggetti di varia tipologia e peso;
- tipologia di formazione temporalesca che ha originato il vortice;
- dimensioni e forma del tornado (anche non si tratta di un elemento attendibile: infatti esistono tornado violentissimi sebbene le dimensioni del tornado siano ridottissime e tornado giganti in grado di far rilevare danni classificabili come EF1 o EF2).

A causa del metodo adottato da Fujita per classificare i tornado, e cioè entità e tipologie di danni causati, la stima sintetica può soltanto mirare alla presumibilità di questi, per cui non costituisce alcun riferimento incontrovertibile.

Tornado_obs_MPI

La stima analitica viene invece eseguita dopo il passaggio del vortice e cioè quando il tornado non è più operativo nell'area di interesse e valutazione dei danni provocati.
In quest'area vengono raccolti dati relativi alla tipologia dei danni subiti da e su oggetti di varia tipologia, materiale e peso e vengono valutate le interazioni tra di essi per giungere all'elaborazione di dati certi circa la velocità raggiunta dai venti durante il passaggio del tornado. Di seguito, una carrellata di immagini dei danni causati dai tornado di Tuscaloosa (EF4) e Hackleburg (EF5), il 27 aprile 2011, gentilmente concessemi dalla Dott.ssa Valentina Abinanti, ideatrice dello stupendo blog “Tornado Seeker (clicca sul titolo del blog per accedervi):

Vale

Vale_2

Vale_3

Vale_4

Vale_5

Ovviamente l'analisi è svolta da personale esperto, specializzato e qualificato.
In virtù della sua quasi totale esattezza la stima analitica non sempre coincide con quella sintetica che, molto spesso, a causa dell'emotività più o meno accentuata dell'osservatore, tende a sovrastimare la potenza effettivamente espressa dal fenomeno.

analisi_danni

tornado_joplin_missouri_MPI

Rilevazione strumentale: solo da qualche anno a questa parte, grazie alle probes (sonde/sensori) collocabili nei potenziali paths dei tornado e ad alcuni veicoli speciali capaci di stazionare all’interno dei tornado di debole intensità, è possibile acquisire, strumentalmente, dati certi sulla velocità dei venti in rotazione.

camera_probe_MPI

La rilevazione strumentale non costituisce, dunque, solo una stima. Tuttavia non consente la classificazione di tutti i tornado in quanto non sempre è possibile prevedere e/o raggiungere le aree d’azione per posizionarvi gli strumenti necessari nel modo corretto. Per cui, il metodo di stima analitica risulta essere quello non più attendibile di una rilevazione strumentale ma di certo quello più utilizzato ancora oggi.

Roberto Viccione

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