Atmosfera

In questa sezione: Caratteristiche dell'atmosfera; Pressione Statica e Dinamica; Temperatura; Densità.

Caratteristiche dell'atmosfera

Un elicottero nuota letteralmente nell'aria e l'aerodinamica studia in modo più o meno complesso le forze, i momenti e tutti quei fenomeni apparentemente inosservabili ad occhio nudo che avvengono su un corpo che attraversa l'aria. L'aria è infatti il nostro ambiente naturale, come lo potrebbe essere l'acqua per un pesce immerso costantemente in essa o in termini tecnologici una barca in galleggiamento. L'elicottero e qualunque altro tipo di aeromobile sfrutta le caratteristiche di questo fluido invisibile, che si muove sotto forma di vento relativo.

L'aria ha una densita ed un peso specifico a seconda della distanza verticale dal mare, entrambi fattori diminuiscono direttamente con la distanza dalla superficie terrestre. L'aria inoltre può assumere una determinata temperatura e tante altre caratteristiche interessanti che approfondiremo lungo il nostro percorso. Tutte le caratteristiche intrinseche dell'aria influenzano e regolamentano il meccanismo del volo di un elicottero.
Ci occuperemo di chiarire come alcuni fenomeni fisici di nostro interesse legati alla natura dell'aria influenzino il volo, quanto le nostre macchine ne traggano vantaggio o debbano pagare un tributo per poter galleggiare in essa. Andremo ad analizzare i meccanismi che descrivono i fenomeni che coinvolgono il fluido aeriforme e tutto ciò che fondamentalmente è legato alla sua natura, dato che la nostra macchina si muove attraverso di essa.

Il volo di qualsiasi aeromobile, od anche di un uccello è strettamente influenzato dalle caratteristiche proprie dell'aria che esso attraversa, ed è fortemente condizionato da quota, temperatura e densità di essa. Lo stesso meccanismo del volo da un significato alle ali o alle pale di un elicottero che equivalgono alle ruote per un'automobile.
L'ambiente al cui interno voleremo, sia nella teoria sia nella pratica, si chiama Atmosfera. L’atmosfera è composta da una massa gassosa che avvolge il globo terrestre. Essa ha uno spessore di circa 100 Km e la sua composizione è fatta per il 78% di AZOTO ed il 21% di OSSIGENO; minima è la quantità di altri gas nobili che rappresentano appena l’1%.

All’interno della sfera atmosferica, la forza di gravità è la principale componente influente, essa infatti condiziona gran parte dei fenomeni atmosferici in associazione con il calore, ma la sua energia è esercitata anche sulle particelle più piccole, perfino quelle di dimensioni microscopiche, modificandone alcune caratteristiche.
Tre sono le principali caratteristiche dell'atmosfera, esso sono: Pressione; Temperatura; Densità.

Pressione

I gas che compongono l'atmosfera hanno un peso. Il peso delle particelle d’aria che la compongono e che sono attratte dalla forza di gravità, e che esercitano su di una SUPERFICIE, questa è una forza che si chiama PRESSIONE, ed essa si muove ORTOGONALMENTE sulla superficie terrestre.
Se pensiamo all'acqua ad esempio, noteremo che man mano che si scenderà lungo una immersione verso il basso la pressione circostante aumenterà con l'aumentare della profondità, poiché sulla nostra testa vi sarà sempre più acqua e dunque sempre più un peso maggiore. Allo stesso modo questo avviene sul nostro “fondale atmosferico” rappresentato dalla superficie più bassa, cioè il livello del mare dove la colonna di aria sovrastante la superficie marina raggiunge il massimo peso e la massima densità.
Per poter calcolare i valori della pressione che una colonna d’aria esercita su di una data superficie, si potrà ricorrere all'analisi della formula che rappresenta il modo in cui la PRESSIONE è data dal rapporto della FORZA che è esercitata dal peso delle particelle d'aria, - per esempio se confinate in una colonna d’aria misurata in grandezze volumetriche in - osservando come questa forza agisce ortogonalmente su di una superficie, che può essere rappresentata in grandezze come cm² oppure .
In altre parole la forza che la pressione atmosferica esercita sull'AREA della superficie terrestre al livello del mare (cioè il fondale della nostra atmosfera) è pari ad 1atm (Atmofera), questa equivale a 1,033 Kg di pressione su centimetro².
L’esistenza della PRESSIONE ATMOSFERICA fu esposta dal famoso esperimento che EVANGELISTA TORRICELLI compi proprio per dimostrare la tesi che egli sosteneva. Torricelli provò che la pressione atmosferica esistente al livello del mare (Sea Level) è mediamente pari a quella esercitata da una colonna di MERCURIO (HG) alta 76 cm e con una sezione di 1 cm², la colonna aveva un volume totale di 76 cm³ di mercurio.

   

Dato che questo volume di mercurio ha un peso di 1,033 kg al livello del mare (SL) si è deciso per convenzione di chiamare il prodotto di questa misurazione sin da quell'esperimento: ATMOSFERA. Essa rappresenta per l’appunto la pressione che esercita una colonna di mercurio di detto volume, sulla superficie terrestre. Gli anglosassoni misurano la stessa grandezza con un valore equivalente a 29,92 PSA e questo tipo di misurazione è uno standard nel nostro mondo. L'equivalente di 29,92 PSA è rapresentabile anche in Millibar con un valore di 1013 mb.

L’atmosfera terrestre è dunque un oceano aeriforme e la sua struttura è praticamente definibile secondo un numero di strati, ognuno aventi caratteristiche particolari. Tuttavia il nostro operato teorico-pratico si riferirà per buona o quasi tutta l'area confinata all’interno della TROPOSFERA, e cioè allo strato più vicino alla superficie terrestre, quella bolla virtuale compresa tra il livello del mare e la quota media di 11 kilometri circa, pari a 36000 ft (piedi). E' importante precisare che questa quota limite relativa alla troposfera è un valore medio, dato che essa varia ai poli dove è più sottile poichè le base temperature rendono l'aria molto densa, mentre è maggiore all’equatore dove al contrario il calore di quelle latitudini rendono l'atmosfera meno densa, infatti bisogna anche considerare le oscillazioni termiche stagionali che avvengono tra l'estate e l'inverno. E' interessante comunque sapere che tutti i fenomeni meteorologici più importanti come la formazione delle nubi, le piogge ed i venti, avvengono esclusivamente all’interno di questo strato atmosferico. Gli aerei di linea infatti volano leggermente al di sopra della troposfera, attraverso la tropopausa, per evitare i fenomeni meteorologici importanti.

     

La misurazione della pressione atmosferica avviene mediante il BAROMETRO, questo strumento può essere a CAPSULA o a MERCURIO, si è convenuto infatti che il mercurio – metallo liquido – avesse un elevato peso specifico ed un basso punto di congelamento e quindi meno suscettibile a variazioni di volume causate dalle oscillazioni termiche.
Le unità di misura sono il MILLIBAR e l’HECTOPASCAL, esse sono complementari e saranno il nostro metodo di misurazione per buona parte delle occasioni a venire, anche se ci riferiremo sostanzialmente a misure come il Mb(millibar). Con tale unità di misura è definita anche la PRESSIONE STANDARD che come si è già detto è uguale a 76cm³ o 29,92 PSA di mercurio che ricordiamo essere equivalenti a 1013mb; questi parametri sono stati ricavati ad una latitudine media di 45° e ad una temperatura media di 15°C in aria secca, priva cioè di vapore acqueo, condizioni che rappresentano quelle medie sia di temperatura che di pressione, dato che i valori atmosferici nella realtà risultano in costante variazione. Il gradiente termico verticale è di 6.5°C ogni 1000 metri, oppure poco più di 2°C ogni 1000 piedi (ft), 304m , in altre parole la temperatura si riduce man mano che si sale in quota e con essa anche la densità e la pressione
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Questa misura convenzionale risulta importantissima ed è ampiamente utilizzata sia nelle operazioni di volo ordinarie, sia per il calcolo e l’elaborazione di prestazioni, così come di altri importanti parametri, che forniranno informazioni utili per la verifica delle caratteristiche dei nostri elicotteri. Il GRADIENTE BARICO VERTICALE invece è equivalente ad 1mb (millibar) ogni 8 metri (27ft) dal livello del mare (SL).

Al di sopra della TROPOSFERA vi è la TROPOPAUSA, questa fascia dell’atmosfera mantiene delle condizioni più o meno costanti come pressione e temperatura.
Quest'area si trova oltre gli 11000 metri e mantiene una temperatura costante di –56,5° C.
I parametri qui illustrati sono indicativi e non realmente costanti, se essi lo fossero si avrebbe una pressione al livello del mare (Sea Level) pari a 1013,3 mb, e man mano salendo in quota per ogni 27 ft, si incontrerebbe una SUPERFICIE ISOBARICA di 1012 mb, perfettamente parallela al livello del mare, e cosi via in quota. in buona sostanza di un millibar in meno ogni 27 ft (8m). Dunque il rapporto esistente fra le differenza di pressione tra due superfici ISOBARICHE e la distanza VERTICALE tra esse, si chiama GRADIENTE BARICO VERTICALE.

Tuttavia si tratta di misure convenzionali, poichè nella realtà pressione e temperatura non variano in modo cosi costante ed omogeneo, ma diminuiscono in maniera più evidente alle basse quote, per poi ridurre la distanza tra esse man mano che si sale verso l'alto. Nella vita reale infatti i valori di temperatura, pressione e densità sono molto diversi tra loro in base alle stagioni o alle latitudini. E' ovvio pensare che per un pilota tali valori sarebbero inattendibili per poter calcolare con precisione le caratteristiche dell'aria, che avvolge il proprio velivolo e che quindi ne determina le prestazioni. Nella realtà infatti si usano delle operazioni matematiche spesso risolvibili in qualche secondo, utilizzando la temperatura esterna reale misurabile a quella quota per poter stabilire con esattezza pressione e densità, avendo come punti di riferimento i valori standard descritti come sopra, tuttavia il metodo più semplice e pratico è la consultazione di particolari grafici pubblicati nel manuale di volo elaborati per la determinazione di questi parametri.

Pressione Statica e Pressione Dinamica

Negli anni ho notato spesso una enorme confusione circa il significato di Pressione Statica e Pressione Dinamica; ne ho sentite davvero di ogni. In realtà il concetto che lega le due entità è più che semplice, anzi direi banale e vedremo perché.

Circa la Pressione Statica, si può semplicemente stabilire che essa è la pressione esercitata dalle particelle di un qualsiasi gas - come l'aria per l'appunto - che avviene in tutte le direzioni se confinato all'interno di un ambiente, come lo potrebbe essere la stessa atmosfera o molto più semplicemente all'interno di un palloncino, od anche all'interno di uno pneumatico. Il concetto di "statico" infatti spiega già di per se, che si tratta di qualcosa che non si muove o che mantiene uno stato più o meno costante, dunque si tratta di una pressione che agisce staticamente sulle superfici in cui l'aria o l'acqua sono contenute.

All'interno di un palloncino per esempio la pressione delle particelle esercita una forza uniforme su tutte le pareti dell'involucro, mantenendolo in tensione verso l'esterno, cioè gonfio, poiché la pressione statica interna è maggiore della pressione statica esterna.
Anche esternamente al palloncino vi è una pressione statica ma di entità minore ed è quella atmosferica, ma anche la pressione statica esterna esercita una forza contro le pareti del palloncino non riuscendo ad eguagliare l'intensità di quella statica interna. Infatti man mano che il palloncino ascende verso quote più elevate la differenza tra pressione statica esterna (che diminuisce sempre più) e la pressione statica interna aumenta esponenzialmente fino a causare l'esplosione del palloncino ad una certa quota.

La stessa cosa avviene con uno pneumatico perché la pressione statica interna (PsI) in esso è diverse volte superiore alla pressione statica esterna (PsE) che esercita una forza tale da mantenere in tensione le pareti dello pneumatico che è addirittura in grado di sostenere il peso di un'automobile ed i suoi passeggeri.

Come si vede dalla figura, lo pneumatico gonfio trattiene al suo interno una pressione statica maggiore di 1,5 volte rispetto a quella esterna. Questa condizione mantiene lo pneumatico in tensione costante fino a quando l'aria rimarrà sicura e sigillata al suo interno. Ma una volta che lo pneumatico si buchi, o si apra la valvola di sicurezza, la pressione statica interna si trasformerà in pressione dinamica, lasciando l'aria contenuta al suo interno fluire attraverso il foro ad una certa velocità, fino a quando la pressione statica interna dello pneumatico sarà uguale alla pressione statica esterna, e purtroppo per l'automobilista a quel punto la ruota sarà completamente sgonfia.
Un interessante esperimento per verificare direttamente in volo come la pressione statica varia a seconda della quota, è quello di portare con se un palloncino sgonfio ben legato e sigillato, attaccandolo con del nastro adesivo saldamente da qualche parte nel cockpit. Si noterà che all'aumento della quota il palloncino misteriosamente aumenterà sempre più il proprio volume, gonfiandosi sotto i nostri occhi. Questo avviene perché all'atto del sigillo la pressione statica interna del palloncino era identica a quella esterna e cioè equivalente a quella del suolo. Ma una volta in quota, poiché la pressione esterna diminuisce con la distanza dal livello del mare, la pressione interna al palloncino rimane uguale a quella al suolo, risultando ovviamente sempre maggiore rispetto a quella esterna in quota dilatandone sempre più l'involucro. Infatti il risultato finale sarà che il palloncino si dilaterà per effetto della differenza di pressione interna ad esso che sarà sempre maggiore a quella esterna - poiché come abbiamo detto il palloncino è stato sigillato al suolo prima del decollo - mentre la pressione esterna e molto minore perchè è in diminuzione man mano che si sale in quota.
Questo è il motivo per il quale il palloncino di un bimbo che perde il saldo appiglio della sua manina, non arriverà mai lontano, ma espoderà raggiunta la massima quota alla quale l'involucro non sarà più capace di trattenere la differenza di pressione interna con quella esterna oltre misura.

E' importante considerare che la percentuale dei gas disciolti in atmosfera non varia al variare della quota, anzi rimane sostanzialemente la stessa, e cioè 78% di Azoto, 21% di Ossigeno ed 1% di altri gas. Quello che invece cambia è la pressione che questi gas esercitano. Infatti la legge di Dalton spiega chiaramente questo fenomeno, poichè la pressione diminuisce con l'altitudine, ma non la percentuale dei gas disciolti in essa.

Temperatura

Un’altra componente fondamentale dell’affascinante ricetta fatta di ingredienti che muovono la nostra atmosfera ed influenzano la nostra esistenza non solo da piloti e delle nostre macchine volanti, è la componente TERMICA.
Temperatura e Pressione vanno sempre costantemente associate, proprio come una coppia stabile. Infatti la relazione è tanto stretta tra le due componenti che al variare della temperatura si ha una considerevole variazione della pressione, e questo è particolarmente vero quando si parla di Gas e dunque della nostra atmosfera.

Tutti almeno una volta abbiamo sperimentato la regola della pompa per bici. Man mano che si immette aria nello pneumatico attraverso l’azione di forza sul pistone, si noterà che la piccola pompa si riscalda. Questo è causato da un aumento della pressione che avvicina le molecole dei gas in costante agitazione che cosi vengono a trovarsi sempre più l’una vicina all’altra. Il pompaggio continuo di aria nel ciindro della pompa altera lo stato di agitazione delle molecole causando l’aumento di temperatura, ma anche della DENSITA’ del gas, perchè esso occupa uno spazio inferiore rispetto a prima.

Questo fenomeno si chiama INERZIA CINETICO MOLECOLARE ed è la base fisica del funzionamento del motore Diesel, che sfrutta il riscaldamento spontaneo dei gas se sottoposti a forte pressione, per innescare l'esplosione del carburante miscelato all'interno della camera del cilindro.
Viceversa, si sarà notato come un prolungato uso di bombolette aerosol, come quelle per verniciare la nostra bici, siano sottoposte ad un considerevole raffreddamento. Man mano che viene liberato il gas contenuto all'interno della bomboletta, che risulterà sempre più fredda quanto più gas verrà liberato.

   
   

Questo prova ancora una volta la regola di cui sopra. Durante l’espansione di un gas lo spazio tra le molecole in agitazione diminuisce, causando il rallentamento dello stato di agitazione di queste, quindi il conseguente raffreddamento del fluido con una importante riduzione della densità perchè aumenta lo spazio fisico tra le molecole che compongono il gas. In breve alla diminuzione della temperatura si ha una riduzione della pressione. Il meccanismo di riscaldamento della nostra atmosfera avviene attraverso l'azione del sole che cede calore ai gas che compongono l'atmosfera, la nostra stella rimane dunque la principale fonte termica che riscalda la nostra atmosfera modificandone pressione e densità.

La legge della Diffusione dei Gas infatti stabilisce che Pressione, Temperatura e Densità sono direttamente correlati, infatti all'aumento della temperatura di un gas confinato in un involucro si ha una espansione del gas ed un aumento della sua pressione e vice versa. Se il contenitore non è rigido il volume può cambiare ed avere effetti sulla densità del gas. Lo si può verificare con un gommone in mare. Se il gommone è tenuto al sole la sua struttura si espande e si irrigidisce, ma quando scenderà la sera e la notte, il gommone sembrerà leggermente sgonfio, come avesse perso la rigidità che aveva acquisito durante il giorno. Dunque si può alterare il volume di un gas modificando la sua temperatura o la sua pressione.

L’atmosfera assorbe una minima quantità di calore, questo perché l’azione della stella riscalda la superficie del pianeta per IRRAGGIAMENTO, senza che l’atmosfera ne assorba l’energia in maniera diretta.
Il calore che viene assorbito dalla superficie terrestre è subito ceduto all’ATMOSFERA sovrastante. Infatti gli strati che ricevono calore sono i più bassi, quelli con maggiore pressione e densità che lo scambiano man mano con quelli superiori, quelli cioè con minore pressione e densità per CONVENZIONE; un po’ come avviene con l’acqua in ebollizione in una pentola. L’acqua sul fondo della pentola è più calda di quella sovrastante che sale verso l’alto, cedendo il suo potenziale termico agli strati superiori, che invece sono più freddi e per questo più pesanti che scivolano verso il basso, rialimentando il circuito convettivo. Lo stesso circuito di circolazione convettiva è quello dell'acqua che evapora per effetto del calore solare che più tardi precipita in forma di pioggia per effetto del raffreddamento in quota.

Se l’atmosfera fosse standard, la temperatura decrescerebbe in modo costante a partire dal suolo man mano fino in quota, ma in realtà le variazioni sono giornaliere o avvengono all'interno della stessa giornata, proprio per le complesse interazioni meteorologiche. Il GRADIENTE TERMICO VERTICALE rappresenta dunque il valore medio della temperatura presente ai vari strati, che come già detto è all’incirca di 6.5°C per ogni 1000 metri (2°C per 1000 ft) e si dimezza à a poco più di 5000m (18000 ft) dal livello del mare.

E’ importante precisare che per fortuna la nostra atmosfera è in continua evoluzione, inoltre si alterna tra superfici umide come mari, laghi, aree boscose, o zone rocciose e desertiche e questi diversi strati cedono in maniera incoerente il calore all'atmosfera che li sovrasta, e poi questo avviene anche a varie quote come sulle montagne. Ci sono in altre parole una infinità di variabili calcolabili solo per un breve periodo di tempo e dunque i valori fin’ora esposti sono solo delle convenzioni per rappresentarne le caratteristiche sostanziali dell'atmosfera. Se essa fosse davvero standard probabilmente a detta di alcuni scienziati, non sarebbe possibile il generarsi di venti, nuvole, pioggia e tutti gli altri fenomeni atmosferici più o meno piacevoli o sconvenienti, che mantengono in costante circolazione questo incredibile motore da cui tutti dipendiamo.

Densità

Cosi come abbiamo visto fin’ora l’ATMOSFERA è un meccanismo che si muove attraverso il continuo variare di condizioni fisiche, influenzate sempre dalle variazioni di pressione e temperatura. L’influenza della temperatura modifica la pressione e viceversa e questo alternarsi genera condizioni atmosferiche diverse e particolari, il meccanismo tuttavia non è esente però dall’ultimo parametro da prendere anch'esso in seria considerazione: la DENSITA’. La temperatura infatti diminuisce con la quota perché la densità dell'aria diminuisce. In altre parole poiché l'aria in quota è composta da un numero sempre minore di particelle, queste non riescono a mantenere lo stato di agitazione molecolare che invece è più elevato a basse quote, dove le particelle concentrate nello stesso spazio sono in numero maggiore.
La colonna d’aria che insiste su una certa zona chiamata superficie, che ne subisce il peso, diminuisce con l’aumentare della quota ed è qui che evidentemente varia anche la DENSITA’ stessa della massa d’aria, che allo stesso modo della pressione e della temperatura diminuisce a sua volta; infatti all’aumento della quota si ha una atmosfera sempre più rarefatta e dunque meno densa perchè la pressione è minore. E' questo il motivo per il quale i motori a pistoni non funzionano più correttamente ad alte quote, perché durante la fase di compressione la densità di aria aspirata è insufficiente ad assicurare una buona combustione, diversamente dai motori a reazione che riescono meglio a funzionare a quelle quote per l'elevato rateo di compressione che sono in grado di produrre.

   

Con il termine di DENSITA’ si definisce la massa d’aria nell’unita di VOLUME ed essa verrà rappresentata con il simbolo greco (ρ) ro. Dunque la densità(ρ) diminuisce con la quota proprio perché l’aria è rarefatta man mano che si sale in quota. Un ulteriore fattore di variazione della densità dell’aria, è la percentuale relativa di umidità. La densità di una massa d'aria che occupa in dato volume dipende dalla pressione, dalla temperatura e dall'umidità in essa contenute. Infatti il valore di densità nell’aria è sempre inversamente proporzionale al valore dell’umidità. In altre parole a maggiore umidità corrisponde minore densità e questo è dovuto al minore peso del vapore in essa contenuto, rispetto ad una condizione di aria secca.
Per quanto riguarda il discorso relativo all’aria standard, questo parametro di misura va sempre utilizzato per il calcolo teorico, quando cioè la condizione è influente al di sotto dei 36000 ft o 11000 metri, al di sopra di quella quota infatti si entra automaticamente nella Tropopausa dove come abbiamo già chiarito la temperatura rimane costante uguale a -56.5° C.

Poichè le condizioni di temperatura, densità e pressione nella realtà variano in continuazione, si è convenuto di utilizzare un sistema di parametri convenzionale per tutti chiamato ISA o atmosfera standard. L’importanza del concetto di atmosfera standard sta nel fatto che attraverso questo parametro è possibile regolare la strumentazione di bordo, e questo fu convenuto in sede ICAO (International Civil Aviation Organization). Essa è anche conosciuta come ATMOSFERA TIPO o per l'appunto I.S.A. (International Standard Atmosphere) i cui valori come si è già detto rappresentano la media delle condizioni atmosferiche nei diversi paesi del mondo.
L’ISA inoltre è un riferimento importantissimo qualora si vogliano valutare le prestazioni di un aeromobile.
Quando invece si opera al di fuori delle condizioni di ARIA STANDARD (ISA), bisognerà attenersi alle indicazioni della strumentazione riferite alle condizioni esterne reali, ogni volta diverse e variabili. Queste sono fornite dagli enti di controllo meteorologico in tempo reale o attraverso previsioni meteorologiche a breve o medio termine, il tutto in accordo con la consultazione di tabelle particolari presenti sui manuali di volo dell’aeromobile in questione e con la misurazione della temperatura esterna durante il volo.
Per concludere e fare un esempio pratico, la TEMEPERATURA ESTERNA , OAT (Outside Air Temperature) dell’aria, oppure la PA (Pressure Altitude) ovvero la PRESSIONE ESTERNA (ISA) o infine la DA (Density Altitude) l’ALTITUDINE DENSIOMETRICA cioè la pressione reale al momento esistente a quella quota, possono essere diverse ora per ora, o zona per zona, oppure variare periodicamente a seconda delle stagioni.
Nei successivi capitoli vedremo come tutti questi parametri giochino un ruolo fondamentale nella comprensione di quei fenomeni legati all’ambiente aeriforme e sopratutto al calcolo delle prestazioni del nostro elicottero.

©Gino D'Ignazio Gizio