La tromba d'aria, o tornado (plur. tornadi o invariabile), è in meteorologia un fenomeno collocato nella microscala: la parte visibile si manifesta come una nube a imbuto con la condensazione dell'aria, pende dalla base di un cumulonembo senza necessariamente arrivare al suolo. Fisicamente è una colonna d'aria ascensionale e in rapida rotazione partendo dal terreno, in grado di provocare danno al suolo o sollevare materiale di qualsiasi natura (polvere o detriti). In mancanza di questi due requisiti il fenomeno viene declassato nel termine più generico di nube a imbuto o "funnel cloud".

Nelle categorie superiori della scala Fujita possono radere al suolo costruzioni in muratura con venti a 470 km/h, asportare il manto stradale e seguire un percorso che può raggiungere i 350 km di lunghezza. Possono dissipare un'energia stimabile in 500 TJ e presentare al suolo un cedimento pressorio di 100 hPa con valori minimi assoluti di 832. Tipicamente si presentano nei temporali a supercella o "squall line" e più raramente si possono moltiplicare nelle cosiddette "famiglie di tornado" (tornado outbreak).

Descrizione Anatomia e fluidodinamica

La tromba d'aria si presenta con la condensazione dell'aria come un "imbuto" che si protende dalla base di un cumulonembo, la forma viene plasmata dall'umidità atmosferica e dal raffreddamento adiabatico dovuto al calo di pressione per effetto della forza centrifuga. Questo effetto viene sovrapposto al calo di pressione che si ottiene salendo di quota fornendo così la classica forma conica, ma a seconda dell'umidità atmosferica la condensazione può essere parziale e non arrivare al suolo sebbene la circolazione sia comunque presente, la forma può essere affusolata, tozza o troncata indipendentemente dall'intensità del fenomeno. Oltre a mostrare segni di rotazione si presenta con una certa durata e in determinati settori del sistema temporalesco descritti nel processo di formazione in mesoscala. Dal punto di vista nefologico tende a presentarsi con superfici compatte e omogenee conseguenza di un raffreddamento adiabatico repentino durante l'ascesa delle masse d'aria. Pannus o nubi accessorie di altro genere si presentano al contrario frastagliate o a brandelli dove il processo di condensazione avviene più lentamente, inoltre a seconda dell'umidità atmosferica queste formazioni accessorie così come la nube a parete, potrebbero estendersi verso il basso fino a "radere" il suolo senza provocare alcun danno. La tromba d'aria che si verifica sulla terraferma solleva una grande quantità di polvere e detriti che accompagna il suo moto sino alla dissipazione, la documentazione fotografica di danni o di una nube di polvere al suolo costituiscono le uniche prove per una corretta classificazione. Nella fase matura delle categorie superiori, la nube di polvere viene sollevata fino ad avvolgere la stessa nube a imbuto formando con essa un corpo unico indistinto, la colorazione che viene assunta dipente in larga misura dal materiale che viene sollevato. Nella fase di "Rope" si presenta con una forma sinuosa che si assottiglia progressivamente con il dissolvimento. L'estensione verticale può raggiungere i 1000 metri fino alla base del cumulonembo (il "livello di condensazione forzata"), inoltre a seconda dei danni riscontrati in superficie il diametro può variare da un minimo 10 metri fino a 1 o 2 chilometri, da ricordare ad esempio l'EF5 di Oklahoma City 2015 o di El Reno 2013, caratteristiche conosciute con il termine di "Wedge Tornado". Possono presentarsi con più vortici in scala "subtornadica" (vortici di risucchio o subvortici) ma facenti parte dello stesso tornado genitore (tornado multivortex). Nelle supercelle HP ed in posizioni sfavorevoli all'osservazione, il mesociclone può trascinare le precipitazioni in senso antiorario oscurando alla vista un possibile tornado già in atto (Rain-wrapped tornado).

Dal punto di vista fluidodinamico il tornado non è soltanto una colonna d'aria in rotazione ma il prodotto di un complicato equilibrio di forze fra la superficie e la nube temporalesca. Siamo in microscala-α per cui la forza di Coriolis gioca un ruolo insignificante rispetto alla forza centrifuga, quest'ultima si contrappone alla forza del gradiente di pressione che è diretta verso il centro come forza centripeta, inoltre nella modellistica tridimensionale diventano fondamentali i moti verticali e la turbolenza, il tutto si compie nell'arco dei minuti o decine di minuti in conformità allo scenario di scala. Per studiare approfonditamente il fenomeno vengono elaborate simulazioni numeriche come il "CFD" o "LES" sulla base di complesse equazioni differenziali non risolvibili per via analitica (Equazioni di Navier-Stokes), si affiancano i modelli sperimentali più recenti come il "VorTECH" o il "WindEEE" e i riscontri sul campo nei progetti "Vortex" o "Rotate". Si individua un primo modello matematico di un vortice visto in sezione trasversale in un fluido viscoso, detto "vortice di Rankine": viene descritta la distribuzione radiale delle velocità tangenziali i cui profili lungo la verticale sono molto diversi e non sovrapponibili alla nube a imbuto (che rimane una manifestazione visibile e istantanea di una condizione di rugiada ottenuta alle varie quote dai parametri termodinamici e dalla "velocità di nucleazione"). In questo semplice modello abbiamo un "nucleo" centrale in rotazione solida dove le velocità tangenziali crescono linearmente (con velocità angolare costante) dal centro fino al raggio del nucleo, per poi decrescere con legge iperbolica verso l'esterno. Le cuspidi corrispondenti al massimo delle velocità necessitano di arrotondamenti, inoltre dalle rilevazioni doppler e dai modelli sperimentali viene introdotta una costante correttiva nel decremento iperbolico, per cui subentrano diverse varianti del modello come il "vortice di Burgers-Rott", ma non basta. Vicino alla superficie si integrano altre componenti fondamentali alla formazione tornadica: l'attrito con il terreno, la sua rugosità e la viscosità turbolenta del fluido (strato limite tornadico), elementi che introducono uno squilibrio di forze ovvero un'alterazione dell'effetto centrifugo al suolo, queste condizioni esasperano il cosiddetto "effetto pattinatrice" per la Legge di conservazione del momento angolare. I flussi d'aria ancora deboli ed estesi, convergono verso il centro del tornado su una superficie di poche migliaia di metri quadrati, mentre in corrispondenza del centro di rotazione le correnti piegano violentemente verso l'alto in regime sostanzialmente laminare e alimentando un "updraft centrale". Seguendo questo principio la rotazione si estenderebbe dal basso verso l'alto (si rimanda alla sezione Processo di formazione). I detriti sollevati dal terreno possono rimanere sospesi in aria da una commistione di flussi tornadici (rotatorio-convergente-ascensionale), compiendo eleganti traiettorie con moto circolare uniforme in un delicato equilibrio fra il loro peso e l'intensità dei venti, l'alterazione di questi flussi fa seguito l'immediata espulsione o proiezione in troposfera... Le cose adesso si complicano in quota, ed in particolare nei tornado mesociclonici di categoria media/forte: si instaura nell'asse di rotazione una corrente discendente in regime turbolento (downdraft centrale) con l'ampliamento del nucleo ed un'alterazione dell'equilibrio ciclostrofico, in un certo senso l'opposto di quello che succede al suolo. Tale condizione viene soddisfatta con un aumento delle correnti tangenziali periferiche rispetto alle correnti ascensionali interne, questo rapporto viene denominato "Swirl Ratio" e se portato a valori superiori a "1" il downdraft centrale arriva a toccare il suolo generando un vortice più ampio e circondato da "vortici di risucchio" o subvortici, abbiamo così un tornado "multivortex".

Nonostante i progressi compiuti negli ultimi decenni soprattutto negli Stati Uniti, resta ancora da lavorare nella ricerca e molti gli interrogativi da risolvere. Ancora oggi si stanno analizzando le rilevazioni strumentali di tornado storici replicandoli con modelli sperimentali e computazionali sempre più affidabili. Rimangono ad esempio da chiarire gli effetti del carico del vento e dei detriti volanti sulle infrastrutture, gli effetti del parametro adimesionale "Swirl Ratio", gli effetti dovuti al moto di traslazione e all'inclinazione dell'asse tornadico, le condizioni al contorno che ne determinano la formazione e il dissolvimento, le pressioni e il campo del vento negli strati prossimi alla superficie, il cambio di intensità e di percorso in una topografia collinare (studi sono stati compiuti nei monti Appalachi ma potrebbero interessare anche l'Italia), il perfezionamento delle tecniche radar e non da ultimo il miglioramento delle previsioni e l'ottimizazione delle allerte anti tornado, che negli Stati Uniti ma non solo, possono fare la differenza fra la vita e la morte.

Processo di formazione