Tra la terra e il cielo: la fisica della cenere vulcanica e la gestione dei voli a Catania

La gestione dello spazio aereo in regioni ad alta attività vulcanica, come il bacino del Mediterraneo centrale dominato dall’Etna, rappresenta una complessa sfida tecnico-scientifica. Fino alla transizione di massa verso la propulsione a reazione, i velivoli a elica (turboprop e pistoni) operavano con margini di tolleranza superiori verso il particolato vulcanico. L’avvento dei motori turbofan a elevato rapporto di diluizione (bypass ratio) ha tuttavia introdotto un fattore di vulnerabilità intrinseco legato alla termodinamica della combustione interna.

Termodinamica del danno da cenere nei motori a reazione

Le ceneri vulcaniche sono composte prevalentemente da frammenti vetrosi di silicato, quarzo e minerali la cui temperatura di fusione si attesta tipicamente tra 1100 e 1200 gradi Celsius. Nelle moderne camere di combustione dei turbofan, le temperature operative superano frequentemente i 1400-2000 gradi Celsius.

Quando la cenere viene aspirata dalla presa d’aria della turbina:

1. Vetrificazione e deposizione: superata la camera di combustione, il particolato fonde istantaneamente e viene proiettato ad alta velocità sullo stadio di turbina ad alta pressione (HPT).

2. Ostruzione dei canali: il silicato fuso aderisce alle palette della turbina e agli ugelli del distributore (stator vanes), raffreddandosi e solidificandosi sotto forma di crosta vetrosa che altera la geometria fluidodinamica e riduce la sezione di passaggio dell’aria.

3. Stallo del compressore e spegnimento: l’ostruzione riduce la portata d’aria, provocando uno squilibrio di pressione che conduce allo stallo del compressore (compressor stall) e alla fiamma spenta (flameout).

4. Abrasioni meccaniche ed erosione: el circuito di raffreddamento interno delle pale, i micro-fori di dissipazione termica si ostruiscono, causando il cedimento strutturale delle componenti esposte alle sollecitazioni termomeccaniche.

Fisica del contatto pneumatico-bitume e perdita di aderenza

Il particolato vulcanico agisce sulla pavimentazione stradale e aeroportuale come un elemento contaminante rigido a granulometria variabile (da polvere sottile a lapilli di diversi millimetri):

1. Effetto “cuscinetto a sfere” (Effetto cuscinetto secco): quando le ruote del carrello toccano la pista coperta da un velo di cenere asciutta, i granuli di silicato interposti tra il battistrada e l’asfalto riducono drasticamente l’area di contatto effettivo. La cenere rotola sotto lo pneumatico, crollando il coefficiente di attrito dinamico.

2. Aggravamento in caso di pioggia (Effetto fango vulcanico): se la cenere si mescola all’acqua piovana, si forma una poltiglia altamente sdrucciolevole che genera un fenomeno analogo all’aquaplaning, cancellando quasi del tutto l’aderenza meccanica.

3. Aumento della distanza di arresto (Runway Excursion Risk): con un coefficiente di attrito degradato, l’efficacia dei freni multidisco in carbonio del carrello principale diminuisce drasticamente. L’aereo rischia di non riuscire ad arrestarsi entro la lunghezza di pista disponibile (Overrun).

Impatto sui sistemi dell’aeromobile durante il touch-down

• Inibizione degli Inversori di Spinta (Reversers): l’uso dei reverser durante la frenata primaria solleva enormi nubi di cenere dalla pista. Questo materiale viene riaspirato dai motori stessi a bassa velocità o riduce la visibilità dei piloti durante il rullaggio (taxying).

• Usura e blocco del sistema ABS/Antiskid: l’azione abrasiva della cenere danneggiando i sensori di velocità delle ruote (wheel speed sensors) o penetrando nei gruppi freno provocando un’usura precoce dei dischi e guarnizioni.

La rete di monitoraggio geofisico e geochimico dell’INGV-OE

Per prevenire l’ingresso di aeromobili in aree a rischio e gestire l’operatività dell’Aeroporto di Catania-Fontanarossa (LICC/CTA), l’Osservatorio Etneo dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV-OE) impiega un’infrastruttura multiparametrica di monitoraggio continuo in tempo reale.

Parametro Monitorato	Strumentazione e Tecnologie	Indicatore di Attività Vulcanica
Segnale Sismico	Reti di sismometri a banda larga	Ampiezza e frequenza del tremore vulcanico; profondità e localizzazione degli eventi sismici associati alla risalita magmatica.
Deformazione del Suolo	Stazioni GPS ad alta frequenza, clinometri, InSAR	Variazioni volumetriche della camera magmatica; rigonfiamento (inflation) o sgonfiamento (deflation) dell’edificio vulcanico.
Flussi di Gas e Aerosol	Spettrometri UV (FLAME), camere termiche ed infrarosse	Rapporti molecolari e tasso di degassamento dai crateri sommitali; rilevamento precoce del vulcanismo esplosivo.
Altezza della Nube	Radar doppler in banda X, coperte da sensori LiDAR e telecamere calibrate	Misurazione dell’altezza del plume eruttivo e stima della concentrazione di cenere per unità di volume

Catena di allerta e modellistica di dispersione

Al variare significativo dei parametri sismici o geochimici, l’INGV-OE attiva la procedura di comunicazione standardizzata per il settore aeronautico:

1. Emission di Volcanic Ash Advisory (VAA) e VONA: l’INGV-OE trasmette il Volcano Observatory Notice for Aviation (VONA) contenente il codice colore per l’aviazione (Green, Yellow, Orange, Red).

2. Modellizzazione numerica della dispersione: attraverso modelli di trasporto e dispersione atmosferica (come VOL-CALPUFF o FALL3D), i dati sull’altezza della colonna eruttiva e sui tassi di emissione vengono incrociati con i profili dei venti forniti dai modelli meteorologici ad alta risoluzione (ECMWF/AEMET).

3. Valutazione dell’impatto sulla Piana di Catania: le simulazioni tridimensionali calcolano la traiettoria della nube di cenere e il tasso di deposizione al suolo (ashfall rate).

4. Notifica alla Protezione Civile e all’ENAV/Società Aeroportuale: se la simulazione indica che la direzione del vento spinge il plume e il particolato verso il settore sud/sud-est (sovrapposto al cono d’approccio e di decollo di Fontanarossa), la Protezione Civile e l’ENAV emettono i relativi NOTAM (Notice to Airmen), decretando la restrizione dello spazio aereo e la temporanea chiusura delle piste.

 

 

Protocolli operativi di misura e bonifica (Runway Decontaminating)

L’Aeroporto di Catania-Fontanarossa applica procedure rigide disciplinate dai regolamenti ICAO (Global Reporting Format – GRF):

Fase Operativa	Azione Tecnica
Misurazione dell’Attrito	Veicoli speciali (Skiddometer o Mu-Meter) percorrono la pista per misurare il coefficiente di aderenza e classificare la contaminazione della pista (Runway Condition Report – RCR).
Sospensione delle Operazioni	Se l’indice di aderenza scende sotto le soglie minime di sicurezza, lo scalo dichiara la chiusura immediata della pista.
Pulizia Meccanica Intensiva	Impiego di spazzatrici aspiranti ad alta potenza, autospazzatrici industriali e getti d’acqua ad alta pressione per rimuovere ogni traccia di particolato abrasivo prima della riapertura.