Ambiente e rifrazione solare delle pavimentazioni stradali

Una domenica di gennaio mi sono recato a Scandicci dove si tiene un mercatino dell’antiquariato. Vista l’affluenza e viaggiando con una macchina elettrica ho messo l’auto in carica alla preposta colonnina elettrica, distante dalla piazza dove si teneva la manifestazione. Avviandomi verso il mercatino sono giunto in via Fattori e con piacevole stupore ho notato una strada riqualificata sia con gusto che con una pavimentazione a basso impatto ambientale. Per i non addetti portiamo alla attenzione che dal dicembre 2024 è entrato in vigore il Decreto 5 agosto 2024 relativo ai Criteri Ambientali Minimi (CAM) per le strade che suggerisce, per non dire obbliga, le amministrazioni ad adottare soluzioni che vadano incontro all’ambiente. Ebbene la soluzione adottata dai progettisti, dai funzionari, del comune di Scandicci recepisce appieno questa indicazione. Scendiamo nel tecnico, anche se vi potrà apparire un po’ noioso.

Le pavimentazioni stradali interagiscono in modo significativo con la radiazione solare incidente, influenzando il bilancio energetico superficiale, il microclima urbano e le prestazioni funzionali della strada. In ambito ingegneristico e ambientale, lo studio dei fenomeni di riflessione, assorbimento e rifrazione della radiazione solare riveste un ruolo fondamentale, soprattutto in relazione alla sicurezza stradale, al comfort degli utenti e alla sostenibilità delle infrastrutture.

La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre è costituita prevalentemente da:

• radiazione ultravioletta (UV)
• radiazione visibile
• radiazione infrarossa (IR)

Quando la radiazione solare incide su una pavimentazione stradale, possono verificarsi tre fenomeni principali: assorbimento, con conseguente aumento della temperatura del materiale;  riflessione, ovvero la quota di energia rimandata verso l’atmosfera; rifrazione, intesa come deviazione dei raggi luminosi all’interno del materiale o negli strati superficiali adiacenti.

Dal punto di vista fisico, la rifrazione della radiazione solare è regolata dalla legge di Snell, che descrive il cambiamento di direzione di un raggio luminoso nel passaggio tra due mezzi con diverso indice di rifrazione. Nel caso delle pavimentazioni stradali, la rifrazione avviene:

• all’interfaccia aria–superficie stradale
• all’interno degli strati superficiali del conglomerato
• negli strati d’aria sovrastanti la pavimentazione, riscaldati per effetto dell’elevata temperatura del manto

Quest’ultimo caso è spesso responsabile di effetti ottici quali il miraggio stradale, comunemente osservabile nelle giornate molto calde.

Il comportamento rifrattivo delle pavimentazioni stradali dipende da diverse caratteristiche dei materiali impiegati: Indice di rifrazione dei costituenti (bitume, aggregati lapidei), colore e tessitura superficiale, rugosità e macrotessitura, porosità del conglomerato. Le pavimentazioni bituminose scure tendono ad assorbire una maggiore quantità di radiazione solare, aumentando la temperatura superficiale e accentuando i gradienti termici dell’aria sovrastante, che favoriscono la rifrazione dei raggi luminosi.

La rifrazione solare può avere conseguenze dirette sulla sicurezza della circolazione: Riduzione della visibilità a causa di distorsioni ottiche; Formazione di miraggi, che possono indurre percezioni errate della carreggiata; Abbagliamento, in combinazione con superfici riflettenti o umide. Tali fenomeni risultano particolarmente critici nei tratti rettilinei, nelle zone pianeggianti e durante le ore centrali delle giornate estive.

Il comportamento termico delle pavimentazioni è descritto dal bilancio energetico superficiale, espresso in forma semplificata come:

Rₙ = (1 − α) · G − H − LE − Gₛ

Dove: – Rₙ è la radiazione netta; – α è l’albedo della pavimentazione; – G è la radiazione solare globale incidente; – H è il flusso di calore sensibile verso l’aria; – LE è il flusso di calore latente; – Gₛ è il flusso di calore condotto negli strati inferiori.

L’elevato assorbimento di energia solare delle pavimentazioni bituminose scure (basso valore di α) determina un forte riscaldamento superficiale, con conseguente aumento del gradiente termico dell’aria sovrastante. Tale gradiente provoca variazioni locali dell’indice di rifrazione dell’aria, responsabili dei fenomeni di miraggio stradale ed indice notevolmente sul benessere delle piante e dei sapiens.

Per ridurre gli effetti negativi associati alla rifrazione solare, possono essere adottate diverse soluzioni progettuali: utilizzo di pavimentazioni a elevato albedo (colorazioni più chiare, come questa che presumo sia stata prodotta da un impianto di produzione conglomerati bituminosi fiorentino, antesignani di questa tecnologia, che il comune di Firenze iniziò ad utilizzare oltre venti anni fa con grande lungimiranza, piazze, parco delle Cascine etc, grazie all’intuizione di un corrusco geometra, utilizzando un bitume deasfaltenato, Colorbit, distribuito dalla Bitem); impiego di aggregati riflettenti; pavimentazioni drenanti o porose, che riducono la temperatura superficiale; trattamenti superficiali innovativi e rivestimenti fotocatalitici. Tali strategie contribuiscono a limitare l’innalzamento termico.

Lo studio della rifrazione solare delle pavimentazioni è oggi oggetto di numerose attività di ricerca, in particolare:

• nella progettazione di infrastrutture urbane sostenibili
• nello sviluppo di materiali stradali innovativi
• nella valutazione del comfort visivo e termico degli utenti della strada

Le simulazioni numeriche e le misure in situ permettono di analizzare in modo sempre più accurato l’interazione tra radiazione solare e pavimentazioni.

Un caso tipico di rifrazione solare associata alle pavimentazioni stradali è il miraggio stradale, frequentemente osservabile su strade extraurbane pianeggianti durante le giornate estive. In tali condizioni, la pavimentazione bituminosa può raggiungere temperature superficiali superiori a 60–70 °C. L’aria a contatto con il manto si riscalda intensamente, riducendo la propria densità e il proprio indice di rifrazione.

Il gradiente verticale di temperatura tra l’aria calda prossima alla pavimentazione e l’aria più fresca sovrastante provoca la curvatura dei raggi luminosi verso l’alto. L’osservatore percepisce così una falsa immagine riflessa del cielo sulla carreggiata, che può essere confusa con la presenza di acqua o superfici bagnate. In alcuni tratti autostradali e strade statali ad elevata esposizione solare, il miraggio stradale e le distorsioni ottiche possono causare: errata percezione della continuità della carreggiata, difficoltà nel riconoscimento di veicoli distanti e aumento dell’affaticamento visivo del conducente.

Studi sperimentali condotti su tratti stradali in climi caldi hanno evidenziato una maggiore incidenza del fenomeno nelle ore centrali della giornata, in presenza di pavimentazioni scure e a bassa riflettanza.

Un esempio applicativo di mitigazione degli effetti della rifrazione solare è rappresentato dall’adozione di pavimentazioni ad alto albedo in contesti urbani (Firenze su tutte) sono state sperimentate miscele bituminose chiare o trattamenti superficiali riflettenti, in grado di ridurre la temperatura del manto stradale di 10–15 °C rispetto alle pavimentazioni tradizionali. La riduzione della temperatura superficiale comporta una diminuzione dei gradienti termici dell’aria sovrastante, limitando i fenomeni di rifrazione e migliorando il comfort visivo e termico degli utenti della strada.

I modelli di simulazione termo-radiativa oggi utilizzati nella progettazione stradale consentono di valutare preventivamente gli effetti della radiazione solare e della rifrazione in funzione di:

• tipologia di pavimentazione
• colore e tessitura superficiale
• condizioni climatiche locali

Tali strumenti risultano particolarmente utili nella progettazione di infrastrutture in aree caratterizzate da elevate temperature estive.

La rifrazione solare delle pavimentazioni stradali è un fenomeno complesso che deriva dall’interazione tra radiazione solare, materiali e condizioni ambientali. Sebbene spesso meno considerata rispetto all’assorbimento o alla riflessione, essa può influenzare in modo significativo la sicurezza stradale e il microclima locale. Un’adeguata progettazione dei materiali e delle superfici stradali consente di mitigare gli effetti negativi, contribuendo alla realizzazione di infrastrutture più sicure, durabili e sostenibili. Facciamo un complimento al comune di Scandicci per aver utilizzato questa soluzione nel rispetto di un decreto leggo studiato per migliorare le condizioni di vita dei cittadini, la sicurezza ed un’ottimizzazione del consumo materie prime.