Franco Colombo

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Cenere vulcanica: una rischio per l'aviazione!

Cap. G.A.r.s. Geof. Franco COLOMBO

Capo Sez. Meteo 41° Stormo – Sigonella (CT)

Introduzione

 Negli ultimi 20 anni, più di venti incidenti aerei gravi, direttamente connessi ad attività vulcanica, hanno interessato voli a lunga distanza. La maggior parte di essi sono stati causati  dall’ingestione di aria contaminata da cenere vulcanica all'interno delle turbine del motore.

Il problema delle ceneri vulcaniche, molto spesso sottovalutato, si è ripresentato in Italia, allorchè l’Etna nel corso del 1999 ma soprattutto del 2000, ha prodotto una lunga serie di eruzioni vulcaniche accompagnate da attività esplosiva con immissioni in atmosfera di enormi quantità di ceneri e prodotti piroclastici. Durante una di queste manifestazioni esplosive, un Airbus della compagnia aerea Air Europe decollato da Catania per Milano, ha subito un incidente di lieve entità, che lo ha comunque costretto a rientrare a Catania, dopo aver scaricato in mare tutto il carburante imbarcato poche ore prima.

  Definizione di cenere vulcanica

 Il termine "cenere vulcanica" si riferisce a piccole particelle di roccia polverizzata espulsa nell'atmosfera durante un'eruzione vulcanica. Nel caso di eruzioni ad alta esplosività, la cenere, viene proiettata con velocità iniziali (misurate sull’Etna da Dubosclard - Coltelli e altri -1999) intorno agli 80 – 90 m/s a decine di chilometri di altezza. Le particelle di dimensioni più piccole, che vanno da 1 a 15 micron, possono permanere nell'atmosfera per diversi giorni e trasportate dai venti troposferici o stratosferici, percorrono notevoli distanze (Fig.1). La cenere vulcanica è composta da silicati, soprattutto di alluminio e magnesio. Queste, una volta ingerite, fondono nella camera di combustione dei moderni motori jet, le cui temperature di esercizio si aggirano intorno a  1400 gradi C. Solidificano quindi sulle palette e sulle parti in movimento delle turbine (Fig.2) riducendo le prestazioni del motore fino a provocarne il blocco totale. Essendo inoltre molto dura ed estremamente abrasiva, la cenere erode la struttura del velivolo, le superfici di volo e le parti del motore (Fig 3 e 4). Provoca l'abrasione dei vetri della cabina di pilotaggio  fino a ridurre o azzerare la visibilità a lungo raggio del pilota, e può causare l’intasamento degli strumenti di misura della velocità ed altitudine fino a renderli inefficaci. Infine, a causa delle dimensioni estremamente ridotte, la cenere vulcanica non viene fermata dai normali sistemi di filtraggio, e può notevolmente contaminare il sistema di condizionamento, così come quello elettrico e le unità avioniche, rendendo difficoltoso il controllo dell'aereo. In ultimo, la cenere vulcanica è spesso accompagnata da un aerosol molto corrosivo di acido solforico (H2SO4)  proveniente dall'ossidazione ed idratazione dell'anidride solforosa (SO2) rilasciato durante l'eruzione.

 Nel più grave incidente aereo causato da ingestione di ceneri vulcaniche, si verificò il blocco di tutti e quattro i motori del velivolo. Fortunatamente il pilota fu in grado di riavviarne due appena lasciata l'area contaminata , dopo una perdita di quota di circa 8.000 ft, e portò a terra l’aereo senza ulteriori inconvenienti. Il danno arrecato al velivolo coinvolto in questo incidente, ammontò comunque a  80 milioni di dollari e si dovettero sostituire tutti e quattro i motori.

Danni causati ai velivoli

Allo scopo di definire i rischi associati all’attraversamento di una nube di cenere vulcanica, è importante valutare i danni che la cenere provoca all’aeroplano. Diversi livelli di danno si possono verificare ad un aereo a seconda del variare di alcuni parametri come la densità e le dimensioni delle particelle, la composizione della nube e la temperatura di fusione dei differenti costituenti. Inoltre è molto importante sia il tipo di aereo che la strumentazione di bordo.

Gunn e Wade hanno condotto diversi esperimenti allo scopo di determinare gli effetti prodotti  su un aeroplano durante l’attraversamento di una nube di ceneri vulcaniche.

Essi hanno concluso che:

 - La presenza di fuochi di Sant’Elmo (1) sulla superficie del velivolo è indicativa della presenza di polveri nell’ambiente.

 - Il modo in cui il motore si comporterà in un ambiente con polveri dipende dalla concentrazione delle ceneri, dalla loro composizione, dalla temperatura di esercizio del motore stesso, e dal sistema di controllo del motore.

  -  La temperatura della sezione di ingresso della turbina, sufficiente a causare il deposito di materiali sulle sezioni calde del motore, è di circa 1100°C . Molti motori di vecchia generazione operanti a temperature più basse non riportavano depositi sulle sezioni calde, ma solo danni legati alla corrosione del compressore. I nuovi motori, viceversa, riportano danni sia da accumulo che da corrosione, a meno che non venga ridotta la potenza per abbassare la temperatura della turbina

 Se l’attraversamento di una nube di cenere vulcanica non può essere evitato, l’equipaggio deve ridurre la potenza del motore, uscite dalla nube e tenere sotto controllo i parametri motore. La combinazione di questi parametri aiuterà a determinare il grado di danno subito dal motore.

 Operazioni prolungate in ambienti saturi di polvere possono causare danni permanenti al motore fino al suo arresto. In tal caso, il riavvio sarà possibile a condizione che gli iniettori del carburante non si siano intasati (Fig.5).

(1) I fuochi di Sant’Elmo sono delle scariche elettrostatiche causate dallo strofinio delle particelle di polvere sulla superficie metallica dell’aereo

La tragedia sfiorata

Il vulcano Redoubt vicino ad Anchorage in Alaska, inizia la fase eruttiva il 14 dicembre 1989. Il giorno seguente un aeromobile 747-400 della compagnia olandese KLM equipaggiato con motori GE CF6-80C2, alla quota di 25.000 ft ha un avaria con arresto di tutti e quattro i motori causata da ingestione di cenere vulcanica. La figura 6 mostra la rotta seguita dall’aereo durante l’incidente.

Durante la discesa a 25.000 ft l'aeroplano entra in un sottile strato di nubi, quando improvvisamente all'esterno diventa tutto scuro.  L'equipaggio afferma di aver visto una notevole attività elettrostatica davanti al parabrezza (fuochi di Sant’Elmo). Contemporaneamente una polvere marrone dall'odore sulfureo entra dal cockpit.  Il Comandante inizia una cabrata nel tentativo di ritornare fuori dalla nube. Un minuto dopo con assetto cabrato e massima potenza, tutti i quattro motori si bloccano. Inoltre a causa della polvere dal cockpit l'equipaggio decide d'indossare la maschera d'ossigeno.

Inizialmente la velocità dell'aeromobile diminuisce in maniera normale e successivamente in maniera rapida.

Tutte le indicazioni di velocità vengono perse a causa dell'intasamento del Pitot causato della cenere vulcanica e l'indicatore di stallo inizia a lampeggiare sul cockpit. Il pilota reagisce a quest'ultima indicazione, con una picchiata allo scopo di evitare lo stallo, ed inizia una virata a sinistra nel tentativo ulteriore di uscire dalla nube vulcanica.

Con i motori spenti viene perso anche il generatore e di conseguenza tutti gli stumenti ad eccezione di quelli alimentati da batterie.

Nonostante la mancanza dei motori, la pressione in cabina rimane entro i limiti per cui ai passeggeri non viene richiesto di indossare le maschere. Tale scelta è stata fatta dall'equipaggio anche in considerazione di una possibile contaminazione dell'impianto di ossigeno passeggeri.

L'emergenza è stata dichiarata ad una quota approssimativa di 17.000 ft. L'equipaggio dopo otto tentativi di riaccensione dei motori, riesce ad avviare i motori 1 e 2 e si porta ad una quota livellata di 13.000 ft . Dopo diversi altri tentativi riesce ad avviare i motori 3 e 4.

Passando al traverso di Anchorage at 11,000 ft, l'aeroplano viene vettorato sul sentiero di discesa per pista 06 e scende a 2000 ft. Durante tutta la fase di avvicinamento, il comandante mantiene sempre con difficoltà il contatto visivo con la pista, a causa del parabrezza completamente opacizzato dall'abrasione esercitata dalle particelle di polvere.

L'aereo atterra senza ulteriori inconvenienti.

La riparazione dell’aereo richiese circa 80 milioni di dollari e la sostituzione di tutti e quattro i motori.

Tecniche e stumenti di rilevamento di nubi di ceneri vulcaniche

Per individuare le nubi di ceneri vulcaniche, si ricorre all’uso dei satelliti meteorologici (Fig.7). Essi permettono di discriminare le nubi vulcaniche dalle normali nubi di vapore, mediamte l’utilizzo di procedimenti grafici e di tecnologie ad immagini multispettrali ( immagini da satellite prese a diverse lunghezze d’onda). I satelliti polari NOAA permettono di ottenere attraverso diversi sensori, immagini su 5 diversa lunghezze d’onda. Il procedimento grafico di sottrazione delle immagini ottenute sui canali 5 e 4, consente di valutare sia la presenza che l’estensione della nube di cenere vulcanica, ma è condizionato dal passaggio sulla zona di interesse dei satelliti polari, che avviene mediamente ogni ora. La messa in orbita della nuova generazione di Meteosat, porterà un notevole miglioramento in quanto l’acquisizione delle immagini  su ben 9 canali spettrali, avverrà ogni 15 minuti.    

Per quanto riguarda invece la previsione dello spostamento e della dispersione della nube (variazione di concentrazione) si utilizzano dei modelli matematici.

Ruolo del Vulcanic Ash Advisory Center

Le nubi di cenere vulcanica, come abbiamo visto, possono rappresentare un grave pericolo per l'aviazione causando problemi molto seri come il deterioramento del velivolo o il blocco dei motori. Inoltre, gli attuali radar meteo che  equipaggiano i moderni aerei non sono in grado di rilevare, se non molto raramente, nubi di cenere vulcanica. Ciò significa che l'individuazione di queste particolari nubi deve essere tempestivamente comunicata ai piloti in volo usando speciali messaggi di sicurezza regolarmente aggiornati. I messaggi di allerta (SIGMET di cenere vulcanica) sono emessi da un ufficio di veglia meteorologica per la propria area di responsabilità.

Questo servizio di veglia internazionale comporta uno stretto coordinamento tra comunità vulcanologiche, meteorologiche e di aviazione e le loro reti di comunicazione. A livello mondiale sono stati istituiti 9 Centri di informazione sulle ceneri vulcaniche (Fig.8).Essi sono :

                sede                          area di responsabilità

Il compito principale di un VAAC, ciascuno nell’ area di propria responsabilità, è quello di localizzare e prevedere lo spostamento delle nubi di cenere vulcanica che possono rappresentare un potenziale rischio per la navigazione aerea. Inoltre essi provvedono a informare gli aeromobili in volo o che pianificano di volare in zone a rischio. Le fonti di informazione sono costituite dagli osservatori vulcanici, da riporti di volo, da immagini da satellite e da modelli numerici di traiettorie di nubi vulcaniche basati sui venti ai vari livelli di volo. Per l’Etna il compito di effettuare l’osservazione della nube di cenere vulcanica, è stato delegato all’Aeronautica Militare che si avvale della stazione meteorologica di Catania-Sigonella.

Il problema Etna

”CATANIA – Una nube di cenere vulcanica emessa dall'Etna ha investito ieri mattina l'Airbus A 320 dell'«Air Europe» decollato dall'aeroporto di Fontanarossa alle ore 7 diretto a Milano-Malpensa, che è stato costretto per motivi di sicurezza a rientrare nello scalo catanese. L'Airbus A 320 si trovava a quota 1.200 metri sotto la nube, quando cenere e pietruzze gli sono piovuti dall'alto danneggiando i vetri della cabina di pilotaggio. I 137 passeggeri a bordo non hanno avvertito nulla di particolare,  e non si sono accorti del fenomeno neanche quando il comandante Alberto Nardelli ha informato i viaggiatori che per un problema tecnico il velivolo avrebbe fatto rientro a Fontanarossa. L'Airbus ha cambiato direzione, si è diretto verso Siracusa e, al largo della costa, ha scaricato in mare, per alleggerire il peso, quasi tutto il carburante. L'atterraggio è avvenuto pochi minuti dopo senza problemi. Il velivolo «infortunato» è stato parcheggiato nello spiazzo a ridosso della Torre di controllo in attesa dell'opportuno e regolare controllo dei tecnici della Compagnia.” (S.Barbagallo - La Sicilia - 27 Aprile 2000) .
L’Etna è il più importante vulcano attivo dell’Europa. Ad iniziare dai primi mesi del 2000, l’attività vulcanica ha assunto un carattere esplosivo, con la produzione di spettacolari fontane di lava, a cui è stato dato ampio risalto dai mass media. Insiema alle fontane di lave, tale tipo di attività ha prodotto notevoli immissioni di  polveri e ceneri vulcaniche nell’atmosfera, che si sono proiettate fino ad altezze di 15-18000 m. interessando quindi la troposfera e parte della stratosfera. Queste nubi, trasportate dai venti,  possono percorrere centinaia di km mantenendo una elevata concentrazione.La problematica delle ceneri vulcaniche è particolarmente importante nell’area etnea per due diverse ragioni (Fig 9):

-         la presenza di 2 aeroporti importanti – Sigonella e Fontanarossa - ad elevato volume di traffico;

-         la presenza di 2 aerovie – la A353 e la G35 - a poche decine di km dal cratere centrale.

Allo stato attuale i maggiori problemi sono rappresentati da:

-         elevata distanza tra la stazione di osservazione (Sigonella) e il cratere (40Km circa) che implica delle difficoltà legate soprattutto alla scarsa definizione del fenomeno in condizioni notturne o di bassa visibilità;

-         mancanza di procedure alternate di avvicinamento/uscita dal CTR, da applicare quando la copertura del cielo renda l’osservazione impossibile.

Per quanto detto, tutto il personale impegnato nell’osservazione di ceneri vulcaniche, deve porre particolare cura nella diffusionetempestiva delle informazioni agli enti del traffico aereo che provvederanno a comunicarle ai piloti ed equipaggi di volo.

Raccomandazioni da adottare in caso di attraversamento di nubi di cenere

Probabilmente il modo migliore per evitare i pericoli connessi all’attraversamento di una nube di ceneri vulcaniche, è non volarci dentro. Tuttavia è possibile trovarsi dentro una nube di ceneri vulcaniche senza rendersene conto. Questo può succedere specialmente di notte, o quando il cielo è completamente coperto da nubi di vapore.

Alcuni segnali inequivocabili, permettono di comprendere di essere all’interno di una nube di cenere vulcanica, anche in condizioni di scarsa visibilità (Campbell, Ernest E. ,1994):

-         presenza di forti scariche elettrostatiche (fuochi di Sant’Elmo) intorno al parabrezza e ai motori;

-         infiltrazioni di polvere vulcanica in cabina;

-         diffusione di un odore acre simile a quello elettrico accompagnato da quello di uova marcia tipico dei solfuri;

-         malfunzionamento anche multiplo dei motori con possibilità di arresto;

-         diminuzione dell’indicazione della velocità;

-         diminuzione o perdita di pressione in cabina;

 Una serie di azioni consentono di ridurre al minimo i danni provocati dalle ceneri vulcaniche.

Cosa fare in caso di emergenza (Campbell 1994)

·  Ridurre immediatamente la potenza su idle. La cenere può provocare una rapida erosione e danneggiare le componenti interne dei motori.

·  Autopilota off (se ingaggiato) per prevenire eventuali incrementi di potenza.

·  Uscire dalla nube vulcanica il più presto possibile. La nube potrebbe estendersi per alcune centinaia di miglia. La distanza / il tempo minore per uscire dalla nube, potrebbe richiedere anche un inversione di rotta a 180°. Tentare di risalire ad una quota superiore al livello della nube non è raccomandabile, in quanto l’incremento di potenza potrebbe provocare maggiori danni o addiritura lo spegnimento del motore.

 ·  Sistema anti ghiaccio del motore e delle ali ON.

·  APU(Auxiliary Power Unit) se disponibile ON . L’APU può essere usata per alimentare gli apparati elettrici in caso di perdita di potenza di uno o più motori.

·  Maschera di ossigeno indossata e al 100%, se necessario.

·  Ignition on. Per i sistema con avviamento automatico, interrutori su ON.

·  Monitorizzare la temperatura motore. Se necessario spegnere e riaccendere i motori per tenere i valori entro i limiti.

·  Chiudere le valvole di flusso esterno.

·  Lasciare l’elettropompa carburante su ON e aprire le valvole di interconnessione .

·  Non utilizzare il sistema di riscaldamento carburante.

·  Riavviare i motori. In caso di mancato avvio, riprovare immediatamente. La riaccensione del motore potrebbe risultare impossibile fino a quando la velocità e la quota non raggiungono i valori previsti per l’accensione.

Atterrare presso l’aeroporto più vicino appena possibile .

Conclusioni

Le ceneri vulcaniche rappresentano un rischio per gli aeromobili, in quanto esse provocano danni di natura meccanica (abrasione), fisica (fusione e solidificazione) e chimica (corrosione) sulle diverse parti del velivolo con cui vengono a contatto. Gli attuali radar meteorologici presenti a bordo dei moderni aerei, non sono in grado di identificare tali fenomeni. Risulta evidente quindi, come la tempestiva informazione sul verificarsi di tali fenomeni  sia l’unico strumento di efficace e reale prevenzione. In Italia, la scarsa conoscenza del fenomeno e la presenza di attività vulcanica pressochè inesistente, se si esclude l’ultimo anno di attività dell’Etna, ha abbassato la soglia di attenzione al punto da considerare il rischio marginale se non addirittura nullo. E’ indicativo a tal proposito l’incidente all’A320 avvenuto in circostanze in cui il pilota aveva la nube di cenere completamente in vista. Cosa sarebbe successo se la copertura nuvolosa avesse mascherato completamente il fenomeno?

Mantenere elevato il livello di attenzione sulle ceneri vulcaniche, non esclude completamente il rischio di incidente,  ma riduce drasticamente la possibilità che esso si verifichi.

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