I

U no strumento per il rilievo delle caratteristiche fisiche delle grandinate·

DOMENICO VENTO UHicio Centrale di Ecologia Agraria. Ministero dell'Agricoltura e delle Foresu. Roma

(Lavoro presen tato il 20 novembre 1979)

Estratto dalla Rivista di Meteorologia Aeronautica XLI, n . 1 - 1981

RIVISTA DI METEOROLOGIA AERONAUTICA

551.578.7

P.alazzo dell'a Civiltà del Lavoro. Quadrato della Concordia n . 7 - 00100 Roma

551.578.7

U no strumento p.er il rilievo delle caratteristiche fisiche delle grandinate *

DOMENICO VENTO Ufficio Centrale di Ecologia Agraria, Ministero dell'Agricoltura e delle Foreste, Roma

(Lavoro presentato il 20 novembre 1979)

RI AssWNTO Si espong0no. i momenti fond amen tali di un esperimento internazi0na le di difesa antigrandjne. Nel suo ambito so no utHizzaM strum enti indica tori di gran.d ine (hailpads ed hailc ubes) di cui vengo no fornite le formule, i grafici e le tabell e di tara tu ra.

Un instrument pour le relevé des caractéristique physique des averses de grele

RESUME - On expose les traits essen tiels d'une expérience internationale de défense ant,igrele. Dans ce but des instru­ments indicateurs de grele (hailpads et hailcubes), d0nt on fournit les formules , les graphiques et les tableaux d'étalon­.nage, ont été utilisés.

An instrument for remarking physical peculiarities of the haH-storms

SUM MARY - An international anti-hail experiment is here ex posed. In this experiment hailpads and hailcubes are used to measure the size of the stones and their kinetic energies. The relations, graphs and tables of their calibration are here presented.

1. PREMESSA

L'Ufficio Centrale di Ecologia Agraria (UCEA) è interessatoistituzionalmeFlte ai problemi connessi coi danFli provocati dalla grandiFle alle eolture agrarie, che in media in Italia sono di circa 400 miliardi di !'ire annue, E' per questo motivo che dal 1975 ha iniziato una col1aborazione internazionale con il Po­litecnico di Zurigo e l'Università cl.i Grenoble al fine di verificare se il sistema di difesa moldavo dalla grandine è effettivamente ef­fi€ace all'800J0, come dichiarato a}!lpunto dai ricercatori sovietici. Questo esperimento si chiama Grossversuch IV (1) e dal 1977 è entrato nella fase operativa, che dovrebbe durare fino a11981, quando presumibilmente si sarà raccolta la massa di cl.ati necessari per

• 11 presente lav0ro rientra ih u~ ~r0gramm~ finan.ziato dal Ministero dell 'Agr.icoltura, dal Mlnlstero degh Affan E~terl e con il supporto operativo dell ' Istituto Itala LaHno Americano.

la valutazione finale significatamente stati­stica dei risultati',

La difesa moldava posta a verifica dal Grossversuch IV è a carattere preventivo, nel seFlSO che cerca di im}!ledire la formazione della grandine, inviando, per tempo e nella concentrazione v0luta, una sostanza nu­cleaFlte (joduro d'argento) all 'interno dei cu­mulonembi probabilmente grandinigeni. Gli elementi base di definizione della probabilità di pericolo cl.i grandine sonQ misure radar e di racl.iosondaggi(2), cioè l'al,tezza sul mare della

1 Al riguardo la deteflninazione dedotta del parametro fisico che meglio descrive le caratteristiche delle grandinate al suolo e che è meglio correlabile coi danni subiti dalle colture è stat0 oggetto d'attenzione della letteratura specia­lizzata. La scelta comunque è circoscritta alla quantHà di moto o all 'energia cinetica d' impatto (7). In tal senso alcuni periti-grandine ritengono che la quantità di moto può essere il fattore più importante nel produrre un danno alle co lture (8) ; ciò può dipendere anc·he da l fatto che i chicchi non vengono immobilizzati dai vegetali colpiti (9).

La ricerca comunque di una correlazione tra la quantità di moto e i danni provocati alle colture è particolarmente difficoltosa, in quanto richiede la considerazione di molti fattori, quali le veloci tà dei corpi prima e dopo l'urto , ii tipo delle colture , il momento fenologico delle piante, lo stato di salute, i possibili interventi parassitari e antiparassitari, il pr0babile tempo meteoro1ogico durante la rimanente parte del ciclo vegetativo.

Tutti questi fattori invece non intervengono se si assume un bersaglio passivo quale un pannello di indicatore di grandine, per cui qualunque parametro fisico atto a descri­vere le grandinate a l suolo può essere assunto come indice dell'a potenzialità di danno della grandine.

E' però accertato che in questo caso è l'enetgia cinetica d'impatto a doversi considerare.

Infatti le impronte lasciate da sfere di ghiaccio , che nei processi di-calibrazione strumentale simulano i chicchi sui pannelli degli indicatori, sono meglio duplicabili quando si rideterminano con sfere di materiale con differente densità ma con uguale energia cinetica (10).

Sulla base di qu este considera'lioni è ormai prassi opera­tiva di tutti i gruppi di ricerca quella di lavorare con l'ener,gia cinetica piuttosto che con la quantità di moto della grandine caduta al suolo.

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D. VENTO

sommità dell 'eco radar della nube e la tempe- ' ratura dell'aria a quena quota, l'altezza sul mare della massima riflettività radar e la temperatura dell'aria a quella quota, il valore della massima riflettività radar, il l'apporto tra le altezze degli spessori della nube sopra e sotto l'isoterma di O°C. Il veicolo per il nucleante è il razzo Oblako (fig. 1), che può raggiungere le quote predeterminate dalle esigenze della difesa e in cui la temperatura dell'aria è compresa tra - 5 e 10°C, rila­sciando lo joduro d'argento e ricadendo al suolo appeso ad un paracadute. Sono utiliz­~ati nel Grossversuch IV anche razzi più piccoli PGIM.

Il Grossversuch IV è randomizzato (3), è condotto in Svizzera su circa 1000 Km2

vicino Lucerna e consente fondamental­mente la raccolta dei dati:

- operativi della difesa, svolta con ma­teriale fornito dai sovietici

- radar - indicatori di grandine (hailpads,

hailcubes), che consentono un rilievo ogget­tivo delle caratteristiche fisiche delle gran­dinate. Di questi l'UCEA, nell'ambito del Grossversuch IV, ne cura 124 postazio­ni (4).

E' da aggiungere che l'UCEA è coinvolta nella raccolta di dati di grandinate con indi­catori anche in Italia. Questi provengono sia da zone dove non ci sono difese antigrandine in atto , sia da zone in cui si hanno attualmente esperimenti di difesa con la emissione di joduro d'argento mediante generatori mobili al suolo (5) .

2. L'INDICATORE DI GRANDINE

L'indicatore di grandine è uno strumento semplice per il rilievo delle caratteldstiche fisiche delle grandinate, che l'UCEA im o piega in due versioni: ad un pannello 0 -

rizzontale-hailpad (fig.2) e a cinque pannelli­hailcubes .(fig. 3).

Gli hailpads sono strumenti semplici e poco costosi che danno informazioni inte­grate nel tempo delle grandinate, cioè con. sentono di valutare le dimensioni dei chicchi caduti al suolo durante tutto l'arco di una grandinata e di contarne j.] numero per classi di dimensionÌ.

m o L . .,- o 0-. 0

E :::J o (J)

Om mu t ,/

"--allogg iamento per il pannello

'---_pannello esposto alla ,grandine

Fig . 2 ~ In~icatore di grandin e UCEA ad un pannello orizzon­tale Ilhailpad) ìcostruito dalla ditta SIAP di Bologna

o :::J (J)

m u m o L o E o O m

-L_._.

alloggiamenti per i pannelli esposti alla grandine

Fig. 1 - Un O.blako in fase di collocazione nell'alloggiamento In una rampa di lancio (fo to Ven to) Fig. 3 - ~ndicatore di grandine UCEA a cinque pannelli

(hall cube) cotruito dalla ditta SIAP di Bologna

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RIVISTA DI METEOROLOGIA AERONAUTICA - V. XLI - N. 1 - 1981

Da queste misure si pOSllono valutare altri 'parametri delle grandinate, cioè, p. e., la massa di ghiaccio riversata sulle colture o la sua energia cinetica d'impatto (tìt

Di fatto sia gli hailpads sia gli hailcubes sono fatti per esporre, ai colpi della grandine, pannelli di un determinato materiale; dalle impronte che questi vi lasciano si può ri­salire, mediante un'opportuna taratura, alle grandezze di cui sopra.

N egli hailcubes il pannello orizzontale è utilizzato per le medesime misure effettuate con gli hailpads , mentre i pannelli verticali sono utHizzati per compl'lÌo di a, l'angolo, rispetto alla verticale, della direzione di ca­duta della grandine al suolo.

N ella realtà a volte, in misura in genere inferiore al 5%, si possono avere dei feno­meni di saturazione dei detti pannelli du­rante grandinate molto violente (11); allora possono essere sottostimati i valori delle distribuzioni dei chicchi per classi e la va­lutazione delle grandezze derivatè.

3. CRITERI DI TARATURA

N on essendo possibile in laboratorio far cadere sui pannelli degli indicatori chicchi di grandine dalle altezze opportune, si lanciano sfere di acciaio, con peso specifico 7,8 ; cioè quasi nove volte maggiore della grandine, da un'altezza tale che queste posseggano all'im­patto la medesima energia che avrebbero i chi,cchi di ugual volume con la velocità terminale

v, = (4CH g d / 3' CAICol1/2/ COS a [3.1]

calcolata teoricamente.

CA e CH sono la densità rispettivamente dell 'aria e della grandine, g è l'accelerazione di gravità e d è il diametro del chicco, Co è il coefficiente di resistenza aerodinamica. Per a vale la formula :

cotga = n.lnv [3.2]

• 2 Per ricavare l'indice di energia di una grandinata, come otlenibile da un lhai/pad , è necessario prima moltiplicare ~l numero di chicchi , trovato per ogni classe dI d . per . I~ corrispondente fattore moltiplicativo e poi sommare tuttI I prodotti così trovati.

no è il numero di colpi sul pannello oriz­zontale; ed è:

Dv = (n,' + n l )l/2 [3 .3]

dove (12) Il\1 e q. sono il numero dei colpi sui due pannelli verticali contigui più colpiti.

N el caso degli hailpads, cioè di strumenti con il solo pannello orizzontale, lo spettro dei chicchi si può misurare, in quanto si è trovato che può ritenersi costante al variare di a la Dmin. (vedi Tab. I) delle impronte, mentre per l'energia cinetica di impatto si valuta solo la sua componente verticale (cioè si assume a = 0°).

Le ipotesi esemplificative assunte in la­boratorio sono: la sfericità dei chicchi, com­patti anche dopo l'urto sui pannelli e con C o

costante; costanza della densità e viscosità dell' aria. La taratura consiste nel ricavare la correlazione tra le impronte lasciate sui pan­nelli e l'energia posseduta dalle sfere cadute.

4. TIPI DI PANNELLI UTILIZZATI DALL'UCEA

Attualmente per la raccolta dei dati con gli indicatori di grandine, l'UCEA utilizza , in Italia ed in Svizzera, pannelli con area di 1/25 m' (13) posti in commercio dalla Ditta SIA P di ·Bologna. Essi sono costituiti da poliure­tano con densità 33 + 2Kg/m3

; hanno uno spessore di 2 cm e sopra è incollato un nastro crudo lucido di alluminio puro al 99,5% e dello spessore di 0,030 + 0,005 mm.

In Svizzera, assieme ai pannelli di cui sopra per gli hailcubes, l'UCEA utilizza Roof­mate di 1/10 rn' come area disponibile a bersaglio alla grandine. Essi sono prodotti dalla Dow Chemical di Zurigo, con densità di 32 kg/m' per il tipo usato in campo, con spessore di 2 cm e con sopra cosparso uno strato di vernice Latex per impedire l'altera­zione della superficie a causa degli agenti atmosferici quali la radiazione solare e la umidità.

Il Latex è una vernice sintetica a base di acetato polivinilico, in cui c'è un 31,7% di pigmento (diossido di Titanio (63 ,2%) e sili'ce e silicati (36,8%) ed un 63 ,3% di elemento veicolante non volatile (acetato polivinilico (25,2%) - ed acqua (74,8%) (14) ).

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D. VENTO

5. FORMU LE. GRAFICI E TABELLE DI TARATURA TABELLA II "

In Italia le formule utilizzate di VI (in m/sec; con d in mm ed ain gradi), E (energia d'impatto di un chicco, in Joules, di diametro d in mm), E' (energia riversata su un hailpad, in J/m2, per effetto della caduta di un chicco di diametro d in mm) sono:

v" = 4,20 d1/2/cosa

El = 4,15 . 10-6 d4~(cosa)2

E'I = 103,75 . 10-6 d4j(cosa)2

[5 .1]

[5.2]

[ 5.3]

In Svizzera esse sono per i pannelli con alluminio:

VtCH = 4,41 d1/2/ cos a [5.4] ECH = 4,58 . 10.6 d' / (cos a)2 [5.5]

E'cH = 114,5 ' 10.6 d' / (cos a)2 [5.6]

Si ricavano allora le tabelle I e II per i pannelli con alluminio usati in Italia (d è il diametro in mm dei chicchi ricava/toiSecondo la taratura e Dmin, in mm, è il diametro minore delle impronte supposte genericamente ellit­tiche e lasciate dai chicchi sui pannelli) , le tabelle III e IV per i pannelli con alluminio e la tabella V per i pannelli Roofmate utilizzati in Svizzera. La curva di taratura per questi Roofmate è quella della fig . 4.

TABELLA I

Classi

d Dmin d Orni \, d Dmir ( mm ) (mm) (mm) (mm (mm) (mm

< 5 < 1.9 4 1.2 28 25. 2 5 f- 9 1. 9\= 5.2 5 1.9 29 26,2 9 f- 13 5,2 9 , O 6 2, 7 30 27 ,4

13 f- 17 9 .0 f- 13,3 7 3,5 31 28,4 nf- 21 13,H- 17,7 8 4,3 32 29 , 6 21 f- 25 17 , 7 f- 22,O 9 5,2 33 30,8 25 f- 29 22,0 l- 26,2 lO 6, 0 34 31 ,9 29 f- 33 26,2 1- 30,8 11 7 ,0 35 33 , 0 33 f- 37 30,8 .1- 35,4 12 8,0 36 34,2 37 f- 41 35 , 4 f- 40,0 13 9,0 37 35,4 4l I- 45 40,Of- 44,4 14 lO, O 38 .36,6 45 f- 49 44,4f- 47,6 15 11 , O 39 37,7

16 12,1 40 38,8 17 13, 3 41 40,0 18 14,4 42 41,2 '19 15,5 43 42,3 20 16,6' 44 43 , 4 21 17,7 45 44,4 22 18,8 46 45,2 23 19,8 47 46,1 24 20,9 48 46,8 25 22 , O 49 47,6 26 23 , 0 50 48,~ 27 24, l

Tabella dI laralura deglI hallpads UCEA con alluminio utiliz­zati in Italia

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E (J/m2) per a:

d <70 '8°_22° 23°_ 37° 38°_ 52°' 53O - 67°'68°_rl20 (mm)

< 5 0,004 0,004 0,005 0,008 0,016 0 , 06 5 f- 9 0,25 0,27 0,33 0,5 l 4 9 f- 13 1,5 1,6 2 3 6 22

13 I:- 17 5 6 7 11 21 79 17 t- 21 14 15 18 27 54 20 3 2.1 t- 25 29 31 39 58 116 43 4 25 t- 29 55 59 74 111 221 826 29 f- 33 96 10 3 128 192 384 1435 33 ·t- 37 156 167 208 312 624 2329 37 I- 41 24 1 258 321 482 964 3598 41 f- 45 356 382 475 712 1424 531 4 45 t- 49 508 544 677 1016 2032 758 4

TabeJJa dei fattori moltiplicativi O/m2) usati per il ca lc·)lo deJJ'indice di energia3 di una grandinata in Italia

TABELLA III

Classi

d Dmi)' d Dmi\, d Dmi n (mm) (mm (mm) (mm (mm) ( mm )

< 5 < 2 , 8 4 1,8 23 22 , 2 5 !- 9 2, 8 t- 6,5 ·5 2, 8 24 23 , ~ 9 I:- 13 6,5 l- 10,4 6 3 , 8 25 .24, 2

13 } - 17 10, 4 f- 15 , O 7 4,5 26 25 , O 17 t- 2l 15 , O f- 19,8 8 5, 6 27 25, 8 21 f- 25 19,8 t- 24,2' 9 6,5 28 26 , 6 25 I- 29 24,2 f- 27,6 lO 7,5 29 27, 6 29 1-3 3 27,6 I- 31,7 11 8,4 30 28, 4 33 I- 37 31 ,7 f- 36, 4 12 9,3 3l 29, S 37 I- 41 36 , 4 f- n,o 13 10,4 32 30, 6 I

14 11 ,2 33 31 , 7 15 12 ,5 34 32 , 9 16 13,8 35 34, o 17 15,0 36 35, 2 18 16,2 37 36, 4 19 17,5 38 37, 8 20 18,8 39 38, 8 21 19 ,8 40 39, 9 22 21, O 41 41, 0

,

Tab ell a di taratura degli hailpads UCEA con aJJum inio utiliz· za ti in Svizzera

TABELLA IV "'

E (J / m2) per 0: :

d < 7· 8°_22° 23°_37° 38°_52° 530_61° 6So- fl T-' (mm)

< 5 0,004 0.005 0 ,006 0, 009 0 , 018 0,067 5 t- 9 0 , 27 0,29 0,37 0,55 l , l 4 9t--l3 1, 7 1,8 2,2 3,4 7 25

13 t- 17 6 6 8 12 23 87 17 I- 21 15 16 20 30 60 223 I 21 I- 25 32 34 43 64 128 478 25 f- 29 61 65 81 122 243 908

1 29 t- 33 106 113 141 211 423 1579 33 I- 37 172 184 229 344 687 2565 37 f- 41 265 284 353 530 1060 3954

Tab~JJa. dei fattori moltiplicativi U/m2) usati per il calcolo delJ'Ind1Ce d' '" d' . I energIa CInetIca I una grandinata in Svi zzera

con pannelli di area di 1/25 ni2

: dI :,~l.ori di energia cinetica ricavati vengono chiamati lO IC.l I energia cinetica in considerazione del fatto che, cqns~der~te le schematizzazioni della taratura e la loro inde-termInazIOne non possono . l ' l'

I assumersI come va OrI asso uh.

RIVISTA DI METEOROLOGIA AERONAUTICA - V. XLI - N. 1 - 1981

TADELLA V

Classi

d ~y d Dmiy d Dmiy

(mm ) (10m) (m. ( 10m) (m_

, 5 < 2,11 5 2,6 26 24, 2

5 1- 9 2, 61- 6.5 6 3,6 27 25, l

9 f-- 13 6,5 1-10, 6 7 4,5 28 26 , l

13 I- 17 10,11 1-1 5, O 8 5,5 29 27.3

17 l- 21 15,01-19 ,6 9 6,5 30 28,S

21 I- 2S 19. 6 t-23. 2 lO 7,7 3 I 29,8

2S I- 29 23,21- 27,3 11 8,6 3~ 31.1

29 1-- 33 27.3 ....... 32 , 3 12 9. 7 33 32,3

33 I- 37 32.31-37.3 13 lO ,6 34 33,6

ed est.rapolando 14 11,11 35 34 . 9

37 I- U 37. 3t--42. 3 15 12,6 ed est.rapolando

41 I- 45 42,3 1-"4'7,2 l. 13,8 3. 36, O

17 15,0 37 37) 3

18 Hi ,2 38 38,5 19 17 ,3 39 39 , 8

20 18,6 40 41,0

21 19,6 41 42.3 22 20,5 42 43.5

23 21.4 43 44,R

24 22 . 3 44 46 , O

25 23, 2 45 47,2

Tab ella di taratura degli hajlpads UCEA con Roofmate vernio ciati con Latex utilizzati in Svi zzera nel 1978

05 D min mm.

0 0

35

30

25

20

'5

5

d reale mm . o

o 5 '5 20 25 30 35

Fig.4 _ curva di tiratura dei Roofmate utilizzati in Svi zz era nel 1978

La tabella per il calcolo dell'E' per i detti Roofmate , considerato che la loro superficie è di 1/10 m2, è deducibile dalla tabella IV moltiplicando per 0,4 i valori dei fattori in essa contenuti. Per i Roofmate ancora evi­dentemente le VI ed E CH sono rispettiva-

CH . _

mente uguali alle [5,4] e [5,5],

6, INDETERMINAZIONE DELLE MISURE

Sia per i pannelli di poliuretano sia per i Roofmate l'indeterminazione.per le misure di energia cinetica è stata valutata al mas­simo pari al .30% (3).

7, CONCLUSIONI

Gli indicatori di grandine (hailpads ed hailcubes) sono strumenti al momento molto diffusi in campo internazionale, dove si sta lavorando per rendere le loro misure sempre più affidabili e, nei limiti del possibile, con lettura automatica (15), I Roofmate sono considerati al momento, se opportunamente salvaguardati da agenti esterni che potreb­bero alterarne la superficie, i migliori pan­nelli sensori per l' impiego con gli indicatori di grandine. Questo è anche il frutto di un seminario internazionale; basato su uno stu­dio ed una discussione accurata sui dati e le esperienze dei vari gruppi di ricerca del settore, tenutosi a Banff in Canada nel 1977 (16) .

8. RINGRAZIAMENTI

L'autore ringrazia sentitamente il prof. E. ROSINI, ex direttore dell 'UCEA, per i con­sigli e suggerimenti fornitigli nel corso della preparazione del presente lavoro.

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