ALCUNI ASPETTI
APPLICATIVI DELLA METEOROLOGIA E DELLA CLIMATOLOGIA
Gli incendi boschivi
Il problema degli incendi boschivi è particolarmente sentito nei Paesi che si
affacciano nel Mediterraneo per la distruzione di vite umane e di risorse
ambientali dovute a questo fenomeno. Sebbene molti progressi siano stati fatti
nel monitoraggio degli incendi e nella determinazione del rischio vi e’ ancora
molto da fare nei settori della prevenzione e della mitigazione. Le condizioni
meteorologiche hanno un ruolo importante, sia nel favorire l’innesco degli
incendi, sia nel promuovere il loro sviluppo e la propagazione. I vari fattori
in gioco. I principali elementi che contribuiscono al rischio di incendi
boschivi sono:
a) quantità e stato del combustibile disponibile;
b) condizioni meteorologiche favorevoli;
c) probabilità di esistenza di cause di innesco.
Fissando l’attenzione sulle condizioni meteorologiche e’ necessario distinguere
tra storia meteorologica precedente del sito in considerazione - che influisce
sul contenuto di umidità del combustibile vivo e morto e le condizioni
meteorologiche presenti che hanno un impatto sulla propagazione delle fiamme ,
sul contenuto di umidità del combustibile morto e sulla alimentazione di
ossigeno.
Possibile formulazione di un indice di rischio
Viene nel seguito descritta una procedura messa a punto in Italia (Palmieri,
1995) con la quale si può determinare il rischio di incendi. L’effetto della
storia meteorologica precedente del sito in considerazione viene calcolata
mediante la equazione che segue:
nella quale AR e’ un parametro che rappresenta l’aridità, E/P è il rapporto tra
evaporazione e precipitazione (media di dieci giorni), k e’ un appropriato
coefficiente di calibrazione che permette di attenuare l’influenza del clima man
mano che ci si allontana nel tempo, gli indici 1,2,3,4 indicano intervalli di
tempo adiacenti di dieci giorni che coprono un periodo complessivo di 40 giorni
andando indietro nel tempo a partire dalla data in cui la stima del rischio e’
richiesta. La evapotraspirazione può essere determinata mediante il metodo di
Penman esposto nel Capitolo 3.La forma finale dell’indice di rischio e’ ottenuta
combinando l’aridità AR con una funzione esponenziale dei parametri del tempo
presente che influenzano la propagazione delle fiamme, il “tiraggio” del camino
ideale al di sopra del fuoco ed anche il contenuto di umidità del combustibile
morto del sottobosco: temperatura dell’aria T (gradi centigradi), velocità del
vento V (km/ora), umidità relativa UR (%), pioggia durante le ultime 48 ore, P48
(mm).
(5.1.2)
nella quale H= 1.33 e’ una costante di calibrazione, a=0.048, b=0.040, c=0.051,
d=0.050 sono coefficienti introdotti in base all’esperienza ed alla modellazione
concettuale. Esempio di applicazione. L’indice e’ stato applicato all’estate
1989, una delle stagioni peggiori dal punto di vista degli incendi boschivi in
Italia. I risultati sono mostrati nelle Figure 1, 2, 3 per i tre siti di Pisa,
Genova ed Argentario. Si può notare che la comparsa di nuovi incendi boschivi,
indicata dalle colonne verticali scure (proporzionale al numero di singoli nuovi
eventi segnalati) tende a verificarsi quando l’indice IRI assume valori elevati
al di sopra del normale. La storia meteorologica dei quaranta giorni precedenti,
sintetizzata da AR e’ anche un fattore che da’ un contributo.
Alcune possibili linee di sviluppo che potrebbero migliorare le applicazioni
dell’indice di rischio sono le seguenti:
a)spazializzazione particolareggiata dell’indice per tenere conto di influenze
topografiche d ambientali sulle variabili meteorologiche;
b)modellazione del “tiraggio” in funzione dei profili verticali delle grandezze
meteorologiche;
c)uso di dati satellitari per monitorare lo stato ecologico delle foreste;
d)inclusione di informazione non-meteorologica, come ad esempio una stima della
quantità di combustibile morto disponibile nel sottobosco;
e)proiezione dell’indice di rischio in avanti nel tempo per qualche giorno
utilizzando campi meteorologici previsti. .
In conclusione, sebbene gli incendi boschivi siano fenomeni complessi dipendenti
da molte cause, alcune delle quali non sono suscettibili di un trattamento
razionale, un indice di rischio basato esclusivamente su fattori meteorologici,
appare come una strumento efficace nel fornire indicazioni sul potenziale di
rischio. Questo e’ presumibilmente in parte dovuto al fatto che l’innesco dei
fuochi, sia esso casuale o doloso, e’ anche legato alle condizioni atmosferiche.
Caratterizzazione meteorologica degli eventi alluvionali
Previsione e prevenzione di gravi disastri alluvionali.
L’acqua distrugge il male e purifica l’uomo; e’ questo il significato simbolico
dell’alluvione in molte religioni. Gli esperti di storia delle religioni ci
ricordano che le alluvioni, almeno da un punto di vista simbolico, avrebbero una
ricaduta spirituale positiva. Noi tuttavia vogliamo occuparci di questi fenomeni
della natura sotto il profilo assai meno suggestivo degli aspetti meteorologici,
dei danni che ne risultano, nonchè della loro previsione e prevenzione. Prima di
tutto si cercherà di fare un cenno alle cause che producono queste improvvise
tempeste meteorologiche. Il primo ingrediente e’ l’umidità, vi deve cioè essere
una copiosa presenza di acqua nell’aria nella forma di vapore, un gas
perfettamente invisibile. Poi deve accadere qualcosa che provochi un
raffreddamento consistente nei primi tre o quattro chilometri di atmosfera,
dando luogo alla condensazione del vapor d’acqua ed alla formazione delle gocce
o dei cristalli di ghiaccio che, successivamente, dopo una fase di
accrescimento, formeranno la pioggia. Il meccanismo di raffreddamento e’ quasi
sempre costituito dalle correnti ascendenti: quando l’aria sale si espande e si
raffredda. I grandi sistemi di moto delle medie latitudini, la convezione (cioè
un sollevamento determinato da uno squilibrio lungo la verticale - aria meno
densa nei bassi strati, più densa in quota) e gli effetti dell’orografia, sono
altrettante cause che generano correnti verticali. In certi casi piove
relativamente poco ed in altri moltissimo. Ciò e’ dovuto al fatto che l’acqua
nell’atmosfera ha un comportamento che si potrebbe definire esplosivo: solo nel
momento in cui si raggiunge la saturazione per un notevole spessore, in presenza
di stratificazione instabile (il concorso di queste due condizioni in zone ampie
e’ per fortuna raro), viene improvvisamente rilasciata una grande quantità di
energia che alimenta fenomeni di estrema intensità.
Previsione delle alluvioni
La possibilità di prevedere fenomeni di questo tipo dipende prima di tutto dalle
dimensioni del bacino che si considera; nel caso di un fiume come il Po, l’onda
di piena determinata dall’afflusso delle piogge sulla corona di montagne che
orlano la Valle Padana, si propaga molto lentamente (la velocità media è di
circa 1 m/s). Se si dispone di misure idrometriche (livello dell’acqua)
aggiornate in tempo reale lungo il fiume, si intuisce facilmente che una
previsione a breve termine è realizzabile .Nel caso di fiumi medi (Arno, Tevere)
la reazione del corso d’acqua alle precipitazioni è più rapida (12-24 ore). Per
tentare una previsione utile occorre poter disporre sia di misure idrometriche
che di telepluviografi (misuratori di pioggia) posti preferibilmente in
prossimità degli spartiacque. Per bacini piccoli , il fiume reagisce alle piogge
in modo praticamente istantaneo: ci si può basare, in questo caso, solo su una
previsione meteorologica a brevissimo termine (nowcasting, questo e’ il termine
inglese ormai universalmente usato) che si appoggi a dati di radar meteorologico
e di satelliti , nonchè a modelli meteorologici ad alta risoluzione.
Il Clima Urbano
Si desidera premettere che lo studio della città e delle sue caratteristiche
ambientali (tra cui il clima in primo piano) è stato promosso dalla comunità
internazionale dei geografi stimolato dall’evidente interesse di integrazione
culturale che esso offre.
Processi ecologici, sociologici, meteorologici, nonché biofisici, sanitari e di
qualità dell’aria si intersecano ed interagiscono in un tessuto urbano, rendendo
la modellazione complessiva allettante ed interessante, ma anche particolarmente
difficile. Uno dei problemi è costituito dai vari “linguaggi” utilizzati nelle
branche scientifiche che trattano i problemi dell’ambiente urbano. Così accanto
a modelli matematici molto sofisticati per l’analisi della dinamica dello strato
di confine atmosferico troviamo sottili elaborazioni di statistica demografica o
sanitaria insieme a studi ad indirizzo naturalistico (è il caso della fauna e
della flora nella città).
E’ necessario un ricambio generazionale dei Geografi per interpretare e
sintetizzare i “linguaggi” delle varie scienze coinvolte nel sistema urbano ? Un
problema di questo tipo, a scala più grande, si è già verificato verso la metà
dello scorso secolo quando la climatologia è passata dalla prevalente competenza
di studiosi di statistica, alla nuova generazione di esperti in dinamica del
clima.
Il clima urbano visto dal versante della fisica
Fattori esterni : l'influenza del clima a grande scala
Il clima “a grande scala”, definibile come il complesso delle proprietà
statistiche del tempo meteorologico su regioni di grandi dimensioni, viene oggi
considerato come un parametro che subisce variazioni lente, ma non trascurabili.
Esso va preso in considerazione come una “cornice” che condiziona l’evoluzione
del clima urbano per orizzonti di tempo di decenni.
Simulazioni climatiche condotte con l’ausilio di modelli che tengono conto del
costante incremento nella concentrazione di gas “serra” nell’atmosfera indicano
un probabile generale aumento della temperatura in superficie, nell’area
mediterranea, per la fine del secolo, dell’ordine di 1-2°C. D’altro canto, lo
studio delle variazioni climatiche occorse nel passato recente sembra confermare
una tendenza all’aumento della temperatura media. Va tuttavia sottolineato che
l'evoluzione del clima dipende non solo dall'effetto serra, ma anche da altre
cause generalmente non prevedibili o addirittura sconosciute: per esempio una
grande eruzione vulcanica che immetta nella stratosfera ingenti quantità di
sostanze (come solfati, ossidi di azoto, etc.) può determinare per alcuni anni
una diminuzione della temperatura della bassa atmosfera.
Fattori interni
Essi possono essere di due tipi: (a) processi fisici di scambio ( calore
sensibile, calore latente, quantità di moto) tra tessuto urbanizzato ed
atmosfera - il calore accumulato in superficie viene esportato verso l'alto
attraverso i processi di flusso turbolento di calore sensibile e di calore
latente (quest'ultimo si attiva quando vi è disponibilità di acqua per la
evaporazione e per la traspirazione delle piante); (b) emissione di inquinanti e
loro trasformazioni. Una rassegna particolareggiata dei fattori interni e delle
grandezze coinvolte è stata fornita da Palmieri et al (2001).
Negli scenari radiativi l’inquinamento si concentra in uno spessore limitato di
atmosfera ed esercita una retroazione sul clima locale.
L'isola di calore urbana
L'aria nella canopia urbana è generalmente più calda dell'atmosfera rurale
circostante nel periodo che va dal tramonto al primo mattino. Il fenomeno è
indicato con il termine "isola di calore urbana" e si manifesta nelle situazioni
caratterizzate da cieli sereni e ventilazione debole. Le maggiori variazioni di
temperatura si riscontrano attraversando il confine tra zona urbana e zone
rurali circostanti. La porzione interna della città appare, dal punto di vista
termico, come una zona in cui la temperatura cresce debolmente procedendo verso
i punti a più elevata densità abitativa (Taesler, 1980).
Una delle grandezze che, sulla base di vari studi, risulta ben correlata con la
massima intensità dell'isola di calore è H/X (rapporto tra altezza degli edifici
e la semi-ampiezza delle sedi stradali). Sono state proposte relazioni del tipo
(Turb -T rur) max = a + b. ln (H/X)
Nella quale Turb indica la temperatura dell'aria nella città, Trur la
temperatura simultanea in zona rurale. OKE (1981) ha determinato i coefficienti
a e b attraverso uno studio dei dati di 31 città di tutti i continenti. I valori
proposti sono a= 7.54 e b=3.97. Applicando la (5.3.1) al caso di Roma, assumendo
H = 17 m, X = 5 m e quindi ln H/X =1,2237, si ha Turb-Trur= 12,39 °C , che
corrisponde bene ai valori massimi di 12 gradi osservati per i mesi di dicembre
e gennaio.
Interazione tra edifici e dinamica atmosferica
La esistenza di un edificio o di un gruppo di edifici, oltre a determinare le
interazioni tra superficie ed atmosfera nel campo della temperatura e
dell'umidità, nelle situazioni a ventilazione sostenuta, ha un impatto di tipo
aerodinamico.
Un edificio od un complesso di edifici esposto al vento può essere riguardato
come un ostacolo. Le correnti d'aria possono scavalcarlo e/o aggirarlo (in modo
laminare o turbolento) in funzione di alcune proprietà del flusso d'aria e
dell'ostacolo. I parametri che controllano il fenomeno sono:
(a) la velocità delle correnti;
(b) la stabilità dell'aria nello strato più prossimo alla superficie;
(c) l'altezza dell'edificio,
(d) la forma dell'ostacolo secondo una sezione perpendicolare alle correnti.
La tendenza allo scavalcamento ed/o all'aggiramento di un ostacolo (un edificio
od un gruppo di edifici) è legata ad alcuni parametri:
(a) la velocità media del flusso che investe l'ostacolo V (m/s), (b) la
stabilità dell'aria nello strato prossimo alla superficie S (1/s), (c) l'altezza
dell'ostacolo H (m). In funzione di varie combinazioni delle variabili
menzionate (in particolare quando la corrente orizzontale è intensa) il flusso
d'aria può passare al di sopra dell'ostacolo ma, la brusca discontinuità
dell'orientamento della superficie in presenza delle pareti dell'edificio,
provoca la formazione di vortici ad asse orizzontale, sopravento e sottovento
all'ostacolo.
In altri casi (forte stabilità e velocità della corrente non eccessiva) la
corrente d'aria che impatta l'ostacolo viene "separata" dall'edificio e le
correnti passano e si rinforzano sui fianchi di esso. Sottovento all'ostacolo,
si possono formare vortici ad asse verticale, una sorta di "scia" dell'edificio
nel fluido in movimento. E' appena necessario ricordare che la stabilità
dell'aria nello strato di confine è in genere più grande di notte per cui, a
parità di altre condizioni, questo tende a verificarsi nelle situazioni
notturne.
Come si può immaginare, il caso di un tessuto urbano complesso è ben più
complicato degli esempi schematici forniti e la interazione dinamica con le
correnti richiede studi specifici con simulazioni numeriche o con modelli fisici
in galleria del vento.
Condizioni atmosferiche che hanno un impatto sull'inquinamento dell'aria
Nelle aree urbane gli effetti integrati della molteplicità di sorgenti di
inquinanti e della turbolenza tendono a produrre un miscuglio di atmosfera
contaminata il cui spessore si estende in verticale fino al livello al quale il
mescolamento risulta attivo. Considerando la città inglobata in un “condotto” a
forma di scatola, la concentrazione media di sostanze inquinanti C (kg/m3) può
essere messa in relazione con i seguenti elementi:
(a) lo spessore dello strato mescolato (dimensione verticale della scatola) , h
(m);
(b) la velocità media del vento nello strato mescolato, u (m/s);
(c) la intensità media delle sorgenti che emettono le sostanze inquinanti, Q
(kg/mq.s);
la distanza dal confine sopravento dell’ipotetica scatola, attraverso il quale
entra aria supposta pulita, d (m);
si può fare uso della relazione:
C = d.Q / u.h
Il prodotto (u.h) detto “fattore di ventilazione”, costituisce un ottimo
elemento per la classificazione dei climi di città diverse sotto il profilo
delle condizioni che favoriscono l’inquinamento, poiché i due parametri più
significativi, vento ed altezza di mescolamento, vengono considerati
simultaneamente.
Una seconda grandezza, più semplice della precedente, ma anch’essa efficace
nella caratterizzazione atmosferica di siti dal punto di vista dell’inquinamento
è la frequenza di ricambio: questo elemento si ottiene dividendo la velocità del
vento per la dimensione approssimativa della città o dell’elemento considerato
ed indica quante volte, in un determinato intervallo di tempo, si verifica un
completo ricambio dell’aria per effetto dei movimenti orizzontali. Il vantaggio
di questo parametro è la possibilità di applicazione anche a piccole parti di
tessuto urbano, per esempio un canyon stradale.
Un tipo diverso di inquinamento è quello fotochimico: esso ha origine per
l’azione della radiazione solare ultravioletta sugli ossidi di azoto ed è
stimolato dalla presenza di idrocarburi. Questi inquinati primari subiscono
quindi una trasformazione che attraverso una serie di complesse reazioni
chimiche conduce alla produzione di inquinanti secondari come ozono, biossido di
azoto, e peroxiacetilnitrati. L’inquinamento di questa natura è tipico delle
situazioni estive con cielo sereno e scarsa ventilazione. Nel caso di Roma è
stato trovato (Seri, 1996) che la soglia critica di radiazione solare totale
giornaliera al di sopra della quale il processo viene attivato è di 8 MJ/m2.
Conviene ricordare a questo punto che, le precipitazioni costituiscono il
meccanismo più efficace attraverso il quale l’atmosfera viene “pulita” dagli
inquinanti gassosi e da quelli in forma di particolato. L' efficienza di questo
processo dipende dalla intensità della precipitazione nonché dalle dimensioni e
dalla carica elettrica delle goccioline e degli inquinanti.
Condizioni atmosferiche alla base del disagio climatico e degli effetti sulla
salute
Stress da calore
Un essere umano in un ambiente particolarmente caldo si difende attraverso la
dilatazione dei vasi sanguigni. Si realizza in tal modo un aumento dell'afflusso
di sangue in prossimità della pelle ed una eliminazione netta di calore dalle
parti più interne del corpo (Munn, 1970). Si riesce così a mantenere costante la
temperatura interna anche se quella superficiale subisce un aumento. Se la
temperatura dell'aria e quella delle pareti circostanti sono più elevate della
temperatura superficiale della pelle, il corpo guadagna calore per convezione ed
irraggiamento e l'unica possibile termoregolazione può avvenire attraverso la
evaporazione del sudore (il passaggio dell'acqua dalla fase liquida a quella
aeriforme sottrae una notevole quantità di energia - 2,5 . 10 6 J/Kg). Questa
arma di riserva, peraltro molto efficace, viene però meno in condizioni di
assenza di ventilazione e di elevata umidità dell'ambiente.
Pertanto, le condizioni esterne che producono stress da calore sono legate alla
coesistenza delle seguenti circostanze:
(a) temperatura dell'aria molto alta;
(b) forte irraggiamento da parte delle superfici circostanti;
(c) elevata umidità dell'aria;
(d) assenza di ventilazione.
Il prolungarsi di una situazione con tali caratteristiche può determinare grave
disagio e crisi nelle persone più a rischio.
Una prima indagine per la città di Roma relativa al periodo 1992-1995 (Michelozzi
et al, 1999) ha mostrato che, nei giorni con temperatura media dell'aria
maggiore di 29 °C, ad un incremento di 1°C della temperatura, corrisponde un
aumento del 44% della mortalità giornaliera. In altri termini il numero dei
decessi giornalieri passa dal valore medio di 52 a quello di 73.
Casi con temperature eccezionalmente elevate (uguali o superiori a 39°C), si
sono verificati a Roma cinque volte nell’arco di cento anni 1905,1922,1939,
1956, 1983 (Mangianti e Beltrano,1990).
Stress da freddo
Nel caso opposto (ambiente molto freddo), la regolazione di tipo vasomotorio si
inverte con una riduzione dell'afflusso di sangue in superficie. Temperatura
dell'aria molto bassa e vento forte, sono le condizioni che danno luogo allo
stress da freddo, anch'esso molto pericoloso. In situazioni di questo tipo la
ventilazione molto attiva e la bassa umidità, congiurano nel sottrarre calore
per convezione e per evaporazione dal corpo umano determinando condizioni
critiche: esse sono più frequenti nelle regioni settentrionali adriatiche quando
si ha un trasporto di aria fredda dall'Europa centro-orientale che si manifesta
con il tipico vento di "bora".
Nella letteratura scientifica vengono descritti numerosi indici di disagio
climatico che hanno lo scopo di quantificare l'intensità delle condizioni
ambientali che determinano le condizioni di stress termico.
Considerazioni generali
Dal punto di vista della modellazione dell’atmosfera urbana il problema
concettuale più affascinante è quello della descrizione della turbolenza.
Infatti nell’ambiente meteorologico urbano si riscontrano, più spesso che
altrove, sistemi di moto (ad esempio bolle convettive) la cui natura è in parte
casuale ed in parte deterministica. Per la matematizzazione di questi fenomeni
vi è ancora molto cammino da fare.
I progettisti di strumenti hanno ideato e stanno sviluppando nuove tecniche di
misura adatte all’ambiente urbano come anemometri sonici, scintillometri,
radiometri all’infrarosso, profilatori verticali del vento e della temperatura.
Ulteriori progressi operativi sono stati poi realizzati nel monitoraggio della
qualità dell’aria attraverso osservazioni sia puntuali che, integrate nello
spazio, nonché nella gestione delle emergenze ambientali.
La cooperazione tra meteorologi e medici è anche molto attiva per accertare ed
approfondire gli effetti degli stress climatici (onde di calore, freddo intenso
associato a vento) combinati con quelli relativi alla qualità dell’aria.
Fisici dell’atmosfera e meteorologi cooperano anche con architetti ed ingegneri
alla pianificazione a lungo termine del tessuto urbano ed anche allo studio
dell’impatto di condizioni ambientali estreme sui beni culturali.