Moduli didattici sulla grandine

Dopo le piene, la grandine è il pericolo naturale più dannoso che colpisce regolarmente la Svizzera in estate. Benché le grandinate si verifichino spesso su piccola scala, in Svizzera causano ogni anno danni per milioni di franchi. Generalmente accompagnate da precipitazioni intense, le grandinate provocano danni a edifici, infrastrutture, veicoli, agricoltura e anche alle persone.

La grandine, che colpisce regolarmente la Svizzera in estate, è l'evento naturale che provoca i maggiori danni dopo le inondazioni. Anche se le grandinate si verificano più spesso in aree localizzate, ogni anno nel nostro Paese provocano danni per milioni. Generalmente accompagnate da forti precipitazioni, le grandinate provocano danni agli edifici, alle infrastrutture, ai veicoli, ai raccolti agricoli e anche alle persone.

Video 1 – «L’estate del maltempo in Svizzera»: nell’estate 2021 eventi di grandine hanno causato molti danni in tutta la Svizzera. Dal servizio di SRF «10 vor 10» dopo l’evento estremo del 28 giugno 2021 (4:22 minuti). ©SRF

Negli ultimi anni le conoscenze e la disponibilità di dati relativi alla grandine in Svizzera sono state oggetto di un forte progresso. Ad esempio, il Laboratorio Mobiliare per la ricerca sui rischi naturali dell’Università di Berna si è concentrato sulla ricerca nell’ambito della grandine. Questi moduli didattici destinati al livello secondario II si basano sullo stato attuale (2023) delle conoscenze scientifiche e pratiche relative alla grandine e possono essere elaborati in modo indipendente gli uni dagli altri.

Come si forma la grandine

La grandine si verifica prevalentemente nel semestre estivo durante i temporali. Per la sua formazione sono necessarie forti correnti ascensionali all’interno di una cella temporalesca.

Come si formano i temporali

Un’importante presupposto per lo sviluppo di temporali è una cosiddetta stratificazione potenzialmente instabile (cambiamento della temperatura con l’aumentare della quota) dell’atmosfera. L’instabilità potenziale è spesso dovuta alla presenza di uno strato di aria calda e umida sotto a uno strato di aria relativamente fredda e secca. Se lo strato inferiore si solleva sufficientemente, ad esempio alzandosi lungo il versante di una montagna, le masse di aria ascendenti sono più calde e hanno quindi una minore densità rispetto all’aria circostante. In questo modo le masse di aria calda sono sospinte verso l’alto. Alzandosi, lo strato di aria calda e umida si raffredda e il vapore acqueo contenuto nell’aria inizia a condensare. L’energia (termica) rilasciata durante la condensazione accelera la risalita delle masse di aria e si innesca una convezione. Alle medie latitudini le celle temporalesche possono raggiungere un’altitudine di 12 km e le correnti ascensionali una velocità fino a 150 km/h. .

Formazione della grandine

In presenza di una forte instabilità potenziale dell’atmosfera, la convezione può provocare temporali con forti correnti ascensionali. Esse sono necessarie affinché l’acqua e i chicchi di ghiaccio all’interno della nuvola rimangano sospese nell’aria per un periodo di tempo sufficientemente lungo, permettendo alla grandine di formarsi. Il processo di formazione della grandine è rappresentato sotto forma di schema nella figura 2. Le masse di aria umida ascendenti si raffreddano e, a partire da una determinata altitudine, raggiungono il punto di condensazione, dove il vapore acqueo inizia a condensare e si formano piccole gocce di acqua (numero 1 nella fig. 2). Le correnti ascensionali trasportano le goccioline di acqua verso l’alto. Quando superano l’altitudine del punto di congelamento, ovvero il limite di 0 °C, una parte delle goccioline di acqua ascendenti congela formando cristalli di ghiaccio e in seguito embrioni di grandine. L’acqua rimanente rimane liquida anche a temperature inferiori a 0 °C ed è denominata acqua sopraffusa. La collisione degli embrioni di grandine con l’acqua sopraffusa o i cristalli di ghiaccio provoca un aumento della loro dimensione e a partire da una dimensione di 5 mm si parla di chicchi di grandine.

Più a lungo un chicco di grandine rimane sospeso nell’aria, più acqua sopraffusa ghiaccia sulla sua superficie provocando l’aumento della sua dimensione. Quando diventa troppo pesante, il chicco di grandine cade verso il basso (n. 2 e 3 nella fig. 2). Precipitando verso il basso, cresce ulteriormente a contatto con i cristalli di ghiaccio, acqua sopraffusa e (più in basso all’interno della nuvola) goccioline di acqua. Se le correnti ascensionali sono sufficientemente forti, il chicco di grandine è di nuovo sospinto verso l’alto e cresce ulteriormente finché le correnti ascensionali non riescono più a trattenerlo (n. 3 e 4 nella fig. 2). Questo processo può ripetersi diverse volte.

Salendo e scendendo all’interno della nuvola i chicchi di grandine acquisiscono una struttura a forma di cipolla costituita da diversi strati chiaramente riconoscibili (cfr. fig. 3). Gli strati sono il risultato di due processi di crescita distinti. Negli strati inferiori più caldi, i chicchi di grandine collidono con goccioline di acqua e acqua sopraffusa rivestendosi di uno sottile strato liquido. Quest’ultimo congela formando uno strato di ghiaccio traslucido. Negli strati più alti della nuvola, dove la temperatura si aggira attorno a -40 °C, l’acqua sopraffusa congela formando cristalli di ghiaccio, che, in caso di collisione, si legano direttamente ai chicchi di grandine. Questo produce microscopiche sacche o bolle di aria nel ghiaccio e si forma così uno strato di ghiaccio opaco.

Se le correnti ascensionali sono troppo deboli per mantenere in sospensione i chicchi di ghiaccio in crescita, essi cadono dalla nuvola sulla superficie terrestre (n. 6 e 7 nella fig. 2). Durante la caduta i chicchi di grandine iniziano a fondere a contatto con l’aria più calda. Se un chicco di grandine fonde completamente prima di raggiungere il suolo, si trasforma in una goccia di pioggia. In caso contrario, cade a terra sotto forma di chicco di grandine.

All’interno della nuvola i chicchi di grandine possono raggiungere la grandezza di un pallone da calcio, ma mentre cadono a terra fondono fino a metà. In Svizzera negli scorsi decenni sono stati osservati chicchi con dimensioni estreme, con un diametro fino a 10 cm. Secondo le fonti storiche, durante una grandinata nel 1927 sono caduti chicchi di grandine con un diametro di addirittura 13 cm. Il chicco di grandine probabilmente più grande mai osservato a livello mondiale aveva un diametro di oltre 20 cm (severe-weather.eu, 2020).

Fig. 3: Struttura a strati di un chicco di grandine. © Christiane Heuser / pixelio.de

Vedi anche:

Fonti

Korosec, M. (2020). World’s largest hail record may be challenged by exceptionally large 20+ cm (8 inches) hailstones hit the capital of Libya on Tuesday, Oct 27th. In: Severe Weather Europe. URL: https://www.severe-weather.eu/global-weather/large-giant-hail-libya-mk/, consultée le 26.01.2023.

Lohmann, U., Lüönd, F., & Mahrt, F. (2016). An introduction to clouds: From the microscale to climate. Cambridge University Press.

Moduli didattici sulla grandine

Modulo 1 – Osservazione e misurazione della grandine

Il primo modulo illustra diversi metodi per la misurazione e l’osservazione della grandine e presenta le fonti di dati utilizzate in Svizzera (radar, sensori automatici della grandine, segnalazioni della popolazione).

Modulo 2 – La grandine in Svizzera

Il secondo modulo presenta la climatologia svizzera della grandine, che descrive le frequenze regionali e stagionali delle grandinate e la distribuzione delle dimensioni della grandine. Vengono inoltre presentate le mappe dei periodi di ritorno del pericolo di grandine.

Modulo 3 – Rischio di grandine e protezione dalla grandine

Il terzo modulo è dedicato ai danni provocati dagli eventi di grandine e alle possibili misure di protezione. Viene inoltre introdotto il concetto di rischio, che si compone di potenziale di pericolo, potenziale di danni e vulnerabilità.

Modulo 4 – Grandine, cambiamenti climatici ed evoluzione dei rischi

Il quarto modulo è incentrato sui cambiamenti attesi nell’ambito delle grandinate in un clima più caldo. Da un lato viene approfondita la comprensione dei processi che portano alla formazione della grandine e dall’altro vengono illustrate le incertezze correlate. Viene inoltre tematizzata la variazione del rischio di grandine in futuro, con particolare attenzione all’evoluzione del potenziale di danni.

Destinatari e piano di studio

I presenti moduli didattici per il livello secondario II si collegano a temi del piano di studio della geografia:
  • Meteorologia: formazione dei temporali e convezione (pagina introduttiva, moduli 1 e 4)
  • Pericoli naturali (moduli 2 e 3)
  • Rischi dei pericoli naturali (moduli 3 e 4)
  • Cambiamenti climatici (modulo 4)
  • Metodi di rappresentazione geografica, mappe tematiche (modulo 2)

Sequenza dei moduli e utilizzo per l’insegnamento

I quattro moduli didattici possono essere utilizzati in modo indipendente l’uno dall’altro durante l’insegnamento. I rimandi tra i moduli mettono in evidenza le relazioni esistenti. Prima di elaborare i singoli moduli occorre in linea di massima approfondire i contenuti della pagina di accesso con la breve introduzione sulla formazione della grandine..

I moduli hanno la seguente struttura:

Premessa, domanda ed esercizio

 

Breve introduzione e passaggio diretto a una domanda e a un esercizio

Proposta di soluzione

  • Proposta di soluzione in parole chiave
  • Approfondimenti sulla proposta di soluzione

La soluzione proposta è presentata in modo sintetico e con parole chiave, con link a fonti di approfondimento. Nel sottocapitolo «Approfondimenti sulla soluzione proposta» vengono illustrati in modo approfondito gli aspetti rilevanti inerenti al modulo e alla domanda.

Esercizio complementare

Il secondo esercizio serve ad approfondire la comprensione dell’argomento e consente di applicare quanto appreso.

Proposta di soluzione esercizio complementare

La proposta di soluzione, breve ed indicata con parole chiave, serve a consolidare i risultati e contiene in parte ulteriori informazioni di base.

Informazioni complementari, fonti

Eventuali informazioni complementari sull’argomento del modulo didattico, che vanno oltre alla domanda concreta. Indicazione delle fonti utilizzate per il modulo.

 
Terme Description
Potenziale di pericolo Indica con quale frequenza e intensità un pericolo naturale può verificarsi in una determinata regione. Cfr. anche la descrizione dettagliata nel modulo 3
Gragnuola Si forma dal congelamento di acqua sopraffusa su fiocchi di neve (scongelatesi). Ha un aspetto simile alla grandine, ma per definizione ha un diametro inferiore ai 5 mm e occorre soprattutto in inverno. Si può fare distinzione tra gragnuola opaca (ingl. snow pellet, ted. Reifgraupel) e gragnuola translucida, con nucleo opaco avvolto da ghiaccio trasparente (ingl. ice pellet, ted. Frostgraupel). In lingua italiana non esistono traduzioni ufficiali che distinguano tra questi due tipi di gragnuola.
Grandine Precipitazione sotto forma di chicchi di ghiaccio a partire da un diametro di 5 mm.
Evento grandinigeno Il verificarsi di grandine nell’arco di una giornata in Svizzera.
Dimensione dei chicchi di grandine  Il diametro di un chicco di grandine. La sua dimensione può essere misurata con un righello o confrontandola con oggetti di riferimento (ad es. monete). Per determinare la dimensione dei chicchi attraverso osservazioni radar si utilizzano algoritmi di calcolo (cfr. MESHS).
Giorno con grandine Un giorno in cui in Svizzera o in una determinata regione si verifica una grandinata. L’approssimazione con dati delle osservazioni radar si basa sull’algoritmo di calcolo POH. Si definisce giorno con grandine un giorno in cui in una determinata località è stato superato il valore limite di probabilità di grandine POH ≥ 80 %. 
Zona di grandine La traiettoria e il raggio di azione di una singola cella temporalesca. La zona di grandine è rilevata dall’algoritmo di tracking temporalesco di MeteoSvizzera.
Idrometeora Tutte le forme liquide e solide dell'acqua presenti nell'atmosfera, rispettivamente in una nuvola. Ad esempio, possono essere gocce di pioggia, fiocchi di neve, gragnuola, chicchi di grandine, ecc. Le idrometeore possono essere sospese nell'aria o cadere, essere sollevate dalla superficie terrestre dal vento o depositarsi su oggetti o al suolo
Convezione Indica le correnti di aria ascendenti (verticali): l’aria calda sale mentre quella circostante più fredda scende. Nel caso di temporali di calore si ha convezione quando l’intensa radiazione solare provoca una stratificazione dell’aria potenzialmente instabile. Se le masse di aria calda e umida salgono, innescano la convezione, poiché le masse di aria calda vengono spinte in alto.
LEHA LEHA sta per «Largest Expected Hail on a reference Area» e indica la dimensione massima del chicco di grandine attesa su una determinata area di riferimento più piccola del chilometro quadrato considerato per MESHS. LEHA è derivato statisticamente dalla dimensione della grandine MESHS. La dimensione massima attesa con MESHS, è attesa su una o poche superfici di riferimento LEHA all’interno del chilometro quadrato di MESHS. Tuttavia, la probabilità che ciò avvenga è molto piccola. Sulla maggior parte delle piccole superfici di riferimento sono attese le dimensioni LEHA. (MeteoSvizzera, 2023)
MESHS L’algoritmo MESHS (Maximum Expected Severe Hail Size) calcola la dimensione massima dei chicchi di grandine attesa su una superficie di 1 km2 (Treloar, 1998 e Joe et al., 2004).
POH L’algoritmo POH (Probability of Hail) calcola la probabilità di grandine attesa al suolo su una superficie di riferimento di 1 km2 (Waldvogel et al., 1979 e Foote et al., 2005). POH fornisce informazioni sulla probabilità di grandine al suolo in una determinata località.
Instabilità potenziale Anche potenziale labilità o labilità convettiva. Strato di aria stabile che salendo diventa instabile. Possono pertanto formarsi convenzione e temporali. In questi casi lo strato di aria è relativamente secco in alto e relativamente umido in basso. Per ulteriori informazioni cfr. qui.
Radar
Abbreviazione di “radio detection and ranging” (ovvero «radiorilevamento e misurazione di distanza»). Strumento che emette onde elettromagnetiche e misura i raggi retroriflessi. In meteorologia esso consente di misurare la dimensione e la distanza delle idrometeore (gocce di pioggia, fiocchi di neve, chicchi di grandine) e la velocità dei venti.
Riflettività Nella tecnica radar la riflettività (Z) è una misura per la radiazione elettromagnetica, che le particelle di acqua nell’atmosfera rinviano al radar. Essa dipende dalla dimensione e dal numero di idrometeore nella nuvola (gocce di pioggia, fiocchi di neve, chicchi di grandine). La riflettività è generalmente indicata nell’unità logaritmica dBZ (dB = decibel, Z = riflettività).
Rischio Il rischio dei pericoli naturali si compone di potenziale di pericolo, potenziale di danni e vulnerabilità. Descrive il numero di persone, animali e beni materiali esposti a un pericolo e a quanto ammonta la somma dei potenziali danni.
Potenziale di danni Descrive l’entità dei possibili danni in una determinata area, ovvero i beni da proteggere esposti al potenziale di danni, che possono essere persone, animali e beni materiali. I beni da proteggere possono essere suddivisi in beni mobili e beni immobili. Per i beni mobili, come ad esempio i veicoli, l’esposizione e quindi il potenziale di danni può essere ridotto temporaneamente. Cfr. anche la descrizione più dettagliata nel modulo 3.
Vulnerabilità Descrive la suscettibilità di un oggetto o di persone a subire danni a causa di un pericolo naturale. È denominata anche sensibilità ai danni. Cfr. anche la descrizione più dettagliata nel modulo 3.
Principio di precauzione Nell’ambito della politica ambientale, principio secondo il quale bisogna agire anche in caso di previsioni poco chiare o incerte per il futuro: nonostante le incertezze devono essere adottate misure per evitare o ridurre al minimo qualsiasi danno immaginabile per l’ambiente, rispettivamente per le persone. 

Fonti

Deutscher Wetterdienst (2022). Wetter- und Klimalexikon. URL: https://www.dwd.de/lexikon, Consulté le 23.01.2023

Foote GB, Krauss TW, & Makitov V. (2005). Hail metrics using convectional radar. In Proceedings of 16th Conference on Planned and Inadvertent Weather Modification, 10–13 January 2005. San Diego, CA: 1–6. American Meteorological Society: Boston.

Joe P, Burgess D, Potts R, Keenan T, Stumpf G, & Treloar A. (2004). The S2K severe weather detection algorithms and their performance. Weather and Forecasting 19: 43–63.

MeteoSvizzera (2023). Climatologia della grandine. Glossario – terminologia relativa alla grandine. URL: https://www.meteosvizzera.admin.ch/clima/il-clima-della-svizzera/climatologia-della-grandine.html, Consultato il 23.01.2023

Treloar ABA. (1998). Vertically integrated radar reflectivity as an indicator of hail size in the Greater Sydney region of Australia. In Proceedings of 19th Conference on Severe Local Storms, 14–18 September 1998. Minneapolis, MN: 48–51. American Meteorological Society: Boston.

Waldvogel, A., Federer, B., & Grimm, P. (1979). Criteria for the detection of hail cells. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 18(12), 1521-1525.

I moduli didattici sulla grandine sono stati creati dal Laboratorio Mobiliare per la ricerca sui rischi naturali dell’Università di Berna. Il progetto ha beneficiato di un supporto didattico e tecnico da parte di esperti.

Autori:
Tamara Baumann, Laboratorio Mobiliare per la ricerca sui rischi naturali, Università di Berna
Dr. Matthias Probst, Istituto di geografia, Università di Berna; Alta scuola pedagogica di Berna; Liceo di Burgdorf/BE

Responsabile del progetto:
Tamara Baumann, Laboratorio Mobiliare per la ricerca sui rischi naturali, Università di Berna

Gestione del progetto:
Prof. Dr. Olivia Romppainen-Martius, Laboratorio Mobiliare per la ricerca sui rischi naturali e Istituto di geografia, Università di Berna
Rouven Sturny, Laboratorio Mobiliare per la ricerca sui rischi naturali, Università di Berna

Gruppo di accompagnamento:
Dr. Cornelia Schwierz, Ufficio federale di meteorologia e climatologia MeteoSvizzera
Dr. Benno Staub, Associazione degli istituti cantonali di assicurazione per i fabbricati AICA
Prof. Dr. Olivia Romppainen-Martius, Laboratorio Mobiliare per la ricerca sui rischi naturali e Istituto di geografia, Università di Berna

Contatto:
Università di Berna
Istituto di geografia, Laboratorio Mobiliare
Hallerstrasse 12
CH-3012 Bern
Tél.: +41 31 684 88 39
E-mail: mobiliarlab.oeschger@unibe.ch