Le onde di gravità, spettacolari oscillazioni nell’atmosfera

In occasione dell’esplosione del vulcano sottomarino Hunga Tonga si è parlato di onde di gravità registrate in varie parti del mondo. Ma cosa sono le onde di gravità? Coincidono con le onde gravitazionali? 
di Carlo Scotto
INGVAMBIENTE

Le onde di gravità sono oscillazioni in un fluido, come l’aria o l’acqua, grazie alle quali dell’energia viene trasportata a grande distanza.

Nell’atmosfera terrestre esse possono essere generate in varie circostanze: alcune molto frequenti, come quando il vento soffia sopra una catena montuosa, altre più particolari, come nel caso di un’esplosione vulcanica.

In generale, le onde di gravità vengono distinte in due tipi diversi: superficiali ed interne.

Onde superficiali di gravità: l’esempio del mare

L’onda di gravità più semplice è quella che si viene a creare quando gettiamo un sasso in uno stagno di acqua ferma. Vengono generate onde concentriche, che cominciano a propagarsi dal punto nel quale il sasso è stato gettato. Allontanandosi da tale punto, le onde diventano meno definite, fino a smorzarsi completamente.

In questo tipo di onde l’elemento di liquido è sottoposto ad uno spostamento sulla superficie: è la gravità che tende a ripristinare lo stato di equilibrio, con una serie di oscillazioni. Per questo si parla, in questo caso, di onde superficiali di gravità.

Altro esempio di onde di superficiali di gravità sono quelle del mare, che sono invece causate dai venti.

Onde interne di gravità: l’esempio del vento

Oltre le onde di superficie, esistono le onde interne di gravità. Queste vengono dette così perché la forza di richiamo è esercitata dalla spinta di Archimede, la quale è strettamente legata alla gravità e non esisterebbe senza di essa.  La spinta di Archimede tende a riportare le particelle nel loro stato iniziale, permettendo la propagazione dell’onda.

Per spiegare la propagazione  delle onde interne di gravità e per dare un esempio di meccanismo di formazione, ricorriamo all’esempio illustrato nella seguente figura.

• Il vento soffiando sopra una montagna spinge una bolla d’aria verso l’alto.
• Per via del fatto che la pressione diminuisce con la quota, la bolla d’aria salendo si espande e, espandendosi, si raffredda.
• Raffreddandosi può diventare più densa e dunque più pesante dell’aria circostante, per cui comincerà a scendere per via della forza di gravità, che prevale sulla spinta di Archimede.
• Scendendo la bolla d’aria viene compressa, per via del fatto che la pressione aumenta al diminuire della quota. Comprimendosi la bolla d’aria si riscalda.
• Adesso la bolla d’aria si troverà ad essere più calda dell’aria circostante, dunque meno densa e più leggera. Essendo più leggera salirà verso l’alto, per via della spinta di Archimede.

Questo moto verso l’alto  e verso il basso è quello che fa propagare l’onda.

Ai link seguenti si trovano due interessanti filmati nei quali il moto delle nuvole visualizza la propagazione di onde interne di gravità.

Un’esperienza di volo impressionante

Analogamente alle onde marine, che sono superficiali e che si infrangono sulle spiagge generando moti caotici e turbolenti, anche le onde interne di gravità possono rompersi, creando irregolarità e vortici.

Il pilota e istruttore di volo statunitense Gregory Bean ha avuto la sventura di attraversare un’onda di gravità durante un volo. In un’ intervista parlò della sua esperienza descrivendo le strane condizioni meteorologiche incontrate il giorno 8 di aprile del 2004 all’aeroporto di Burlington, nel Vermont.

Bean raccontò di non aver notato vento significativo quel pomeriggio, mentre si accingeva a  decollare. Il suo briefing meteorologico aveva indicato che non c’era niente di cui preoccuparsi. Tuttavia, mentre si stava preparando per il decollo, il servizio di informazione automatizzato del terminal dell’aeroporto avvisò che la pressione era in rapida diminuzione. Durante la fase di salita, Bean trovò una turbolenza che mai aveva incontrato nella sua esperienza. Si trattò di una turbolenza talmente forte che le vibrazioni dell’aeroplano gli resero impossibile la lettura degli strumenti per diversi minuti. Alla fine, comunque, tutto andò bene. Bean aveva incontrato un’onda atmosferica di gravità.

Il caso del vulcano Hunga Tonga

La figura seguente mostra un’animazione che evidenzia le oscillazioni nell’atmosfera indotte dalla recente esplosione del vulcano Hunga Tonga del 15 gennaio 2022. L’animazione è basata su immagini nell’infrarosso riprese dal satellite GOES -17 gg .

Onde di gravità ed onde gravitazionali

Le onde di gravità non hanno niente a che vedere con le onde gravitazionali. Come abbiamo detto, le onde di gravità si propagano sulla superficie di separazione fra due fluidi (onde superficiali di gravità) o all’interno di un fluido (onde interne di gravità). Le onde gravitazionali, invece, vengono prodotte da fenomeni cosmologici e si propagano nell’universo, nel vuoto dello spazio intergalattico ed interstellare. Mentre le onde di gravità possono essere osservate facilmente nell’atmosfera terrestre, le onde gravitazionali vennero osservate per la prima volta il 14 settembre del 2015, con un esperimento sofisticatissimo. Le caratteristiche delle onde di gravità sono abbastanza semplici: tutti i dettagli si capiscono con conoscenze elementari di meccanica dei fluidi e di meccanica delle onde. Le onde gravitazionali, invece, sono materia assai più complicata e possono essere comprese solo attraverso la teoria della relatività generale.