atmosfera

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“What is Turbulence? Turbulence is like pornography. It is hard to define but if you see it, you recognize it immediately.”[G.K. Vallis (1999)]

“I am an old man now, and when I die and go to heaven there are two matters on which I hope for enlightenment. One is quantum electrodynamics, and the other is the turbulent motion of fluids. And about the former I am rather optimistic.”[H.Lamb]

Che cos’è la turbolenza e perchè fa innervosire così tanto gli scienziati? Questo post vuole mettere alla prova me e voi nel districarci in un vero e proprio ginepraio di idee,  di errori e di sfide.  Forse il primo passo potrebbe essere cercare un esempio davvero molto semplice da prendere come riferimento:  il più semplice che ho incontrato è quello del rubinetto. Quando apriamo un rubinetto in modo che l’acqua si muova piano e guardiamo attraverso il flusso d’acqua possiamo vedere che è trasparente e che  in qualsiasi momento lo guardiamo il suo aspetto è sempre il medesimo. Ci troviamo davanti a un buon analogo per il cosiddetto flusso laminare che  è caratterizzato dal fatto di rimanere costante nel tempo e da poter essere visto come una serie di strati di fluido che scorrono uno accanto all’altro senza mescolarsi.

Se la velocità dell'acqua è bassa il flusso è laminare.

Se però aumentiamo la velocità dell’acqua aprendo ulteriormente il rubinetto inizialmente non ci saranno cambiamenti particolari: l’acqua si limiterà a scorrere più veloce. In corrispondenza di una certa velocità , tuttavia, si può osservare un cambiamento qualitativo nel sistema. Il flusso non è più trasparente, ma diventa opaco per la presenza di bolle e vortici. Non è più costante, i vari “strati” di fluido si rimescolano e anche il rumore dell’acqua è cambiato… è una situazione completamente diversa dalla precedente: il flusso è ora turbolento.

Se la velocità cresce compaiono bolle e vortici nel flusso: il regime è ora turbolento

Il cambiamento di regime da laminare a turbolento è detto transizione alla turbolenza e non dipende soltanto dalla velocità. Il parametro che viene utilizzato in questi studi è il numero di Reynolds che è un numero adimensionale definito come

dove a numeratore compaiono  v , che indica la velocità del fluido,  la scala del sistema (o dimensione lineare caratteristica)  L e la densità del fluido e a denominatore  la sua viscosità. Il suo significato è tutto fuorchè banale: un’interpretazione convincente consiste nel vederlo come il rapporto tra le forze inerziali (a numeratore) e quelle viscose (a denominatore). Quando il denominatore “controlla bene” il numeratore ovvero il numero di Reynolds è molto basso, il moto è viscoso e laminare (immaginate un rubinetto come quello di prima, e al posto dell’acqua fateci scorrere del miele, un esempio importante è costituito dalla parte della Terra denominata mantello). Se però accade il contrario, ovvero il numero di Reynolds è molto alto (intorno ai 2200-3000) le forze inerziali entrano in gioco e il regime diventa turbolento. Il motivo per cui compare la turbolenza al crescere delle forze inerziali è dovuto al fatto che se l’inerzia domina sulle forze viscose, basterà una piccolissima perturbazione dell’andamento rettilineo (immaginiamo di partire dal moto laminare): l’inerzia accentuerà tali differenze e asimmetrie che vengono invece smorzate dalle forze viscose e tali asimmetrie verranno amplificate con l’evolvere del sistema. E’ questo anche il motivo per cui il moto non è costante, a differenza del flusso laminare!

Molto bene, e perchè occuparsi in modo così accanito? I motivi sono diversi e sono legati a ragioni fortemente pratiche come lo studiare che forma deve avere l’ala di un aeroplano per minimizzare la turbolenza (che è anche la responsabile del rimbombo molto rumoroso che si sente verso la coda),  approfondire la conoscenza dell’apparato circolatorio umano e non (il flusso sanguigno di un topo è più laminare di quello di un essere umano, a parità di altre condizioni, mentre nei grandi animali si possono sentire mormorii dovuti alla turbolenza) e prevedere (o perlomeno provarci)  l’evoluzione delle correnti atmosferiche, ma non solo. Ci sono anche ragioni “d’orgoglio”.

Lo studio della turbolenza gioca un ruolo importante nell'analisi dei fenomeni atmosferici

Infatti le equazioni che regolano la fisica della turbolenza (e in generale del moto di un fluido)  sono note, ma una soluzione nel caso generale non è ancora stata trovata. Inoltre si tratta di un fenomeno che ricorre ad ogni scala ed è un esempio di come ad ogni scala ricorrano fenomeni non-lineari e complessi. In più di 100 anni ci sono stati molti progressi in termini di simulazioni numeriche (e soprattutto le tecniche computazionali sono migliorate molto), ma la “vera” soluzione, se esiste, non è ancora stata trovata.  C’è quindi una doppia sfida in questo problema: da un lato comporterebbe maggiore efficienza dal punto di vista ingegneristico e a una maggiore comprensione di molti fenomeni fisici (problemi di diffusione di calore, connessioni Terra-Sole,etc. oltre a quelli già citati precedentemente), dall’altro si tratta di un problema matematico avvincente. E forse sono questi i motivi per cui Richard Feynman lo definì il più grande enigma delle fisica classica e ogni giorno scienziati e ingegneri si confrontano con questo argomento.

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Buongiorno a tutti, oggi ho il piacere di proporvi una bella intervista con Antonello Provenzale ricercatore dell’ISAC-CNR che da circa trent’anni si occupa studia il clima e l’atmosfera terrestre con diverse pubblicazioni e ricerche di livello internazionale.

Buongiorno professor Provenzale, immagino che avrà seguito con grande interesse gli eventi del meeting di Copenhagen, come considera i risultati raggiunti dall’evento? E si aspettava qualcosa di diverso?

La Conferenza della Convenzione Quadro delle Nazioni Unite sui Cambiamenti Climatici (UNFCCC) è stata ampiamente pubblicizzata come un momento epocale per affrontare la sfida posta dai cambiamenti climatici, con la presenza di un grande numero di partecipanti e di Capi di Stato e di Governo, in rappresentanza dei Paesi responsabili a livello mondiale di una larghissima frazione del PIL, della popolazione e delle emissioni di gas serra. Il risultato raggiunto è stato inferiore alle aspettative, ma credo che rappresenti comunque un passo avanti. La politica internazionale ha seguito la strada che era realistico attendersi: il problema del cambiamento climatico è molto complesso da un punto di vista scientifico, le proiezioni climatiche sono tuttora affette da significativi margini di incertezza e la sfida posta dai cambiamenti climatici mette in gioco interessi diversi e spesso contrastanti. In definitiva implica una ridefinizione del tipo di sviluppo della nostra società, da un modello orientato alla crescita senza limiti ad uno orientato alla sostenibilità. Per questo sarebbe ingenuo pensare che, come d’incanto, tutto si possa risolvere senza contrasti e in pochi giorni.

L’aspetto incoraggiante è che, contrariamente a quanto avvenuto nel recente passato, la politica a livello globale ha preso coscienza del problema climatico e sperabilmente continuerà ad occuparsene. Credo che sia importante l’accresciuta attenzione per il ruolo degli aerosol (polveri sottili), specialmente quelli carboniosi, responsabili di una parte non trascurabile del riscaldamento in atto. Politiche di abbattimento delle emissioni di aerosol carboniosi possono avere effetti positivi sia sulla qualità dell’aria (e quindi sulla salute) che sul contenimento temporaneo dell’aumento di temperatura, e sono forse meno complesse da mettere in atto rispetto alla riduzione delle emissioni di gas serra.

Uno degli argomenti che ha fatto più scalpore al summit è stato quello del climate gate, lo scandalo, o presunto tale, dei consigli che diversi climatologi si scambiavano su come rendere più drammatici i risultati delle loro ricerche in ambito climatico “truccandone” i risultati. Che ne pensa lei, che della comunità scientifica fa parte, di questa faccenda? Una manovra politica per screditare il sistema oppure un’abitudine poco lodevole di qualche scienziato poco onesto?

La vicenda dei “messaggi rubati” dal centro inglese è decisamente spiacevole, anche se credo che in definitiva i casi di manipolazione dei dati siano stati estremamente limitati. Personalmente, ho trovato anche molto tristi i messaggi in cui la dialettica scientifica lascia il posto all’insulto e all’astio personale. Questa storia mostra chiaramente il livello di scontro e di tensione raggiunto da alcuni ricercatori, sottoposti spesso ad estenuanti tour de force da parte di “scettici del clima” di professione, addestrati a svolgere un ruolo da disturbatori e guastatori. Con questo, le eventuali manipolazioni non sono giustificabili a nessun livello e per nessun motivo e i responsabili ne stanno pagando le conseguenze. Secondo me, il risultato peggiore di tutto ciò è aver dato l’impressione, spesso esagerata ad arte da alcuni media, che la ricerca scientifica non sia altro che un gioco delle parti di tipo politico. L’errore grave commesso da alcuni ricercatori esasperati non deve diventare una scusa per buttare a mare le importanti e oggettive indicazioni che ci sono fornite dalle attività di ricerca scientifica.

Ma alla luce di quanto accaduto secondo lei le stime fatte dall’IPCC riguardo gli scenari correlati all’incremento delle temperature devono esser rivalutate o restano comunque affidabili e credibili?

Il quadro generale del riscaldamento globale è sostenuto da talmente tante evidenze sperimentali ed empiriche che risulta affidabile “al di là di ogni ragionevole dubbio”. Basti pensare alla fusione dei ghiacciai montani, all’aumento in tutte le regioni del mondo dell’acqua di fusione, alla riduzione del ghiaccio marino e delle calotte glaciali artiche, all’aumento del livello marino e a tutti gli altri dati sperimentali che confermano il riscaldamento in corso. Non credo che nessun ricercatore possa mettere in dubbio il sostanziale riscaldamento avvenuto negli ultimi cento anni. Diverso è il discorso su alcuni aspetti e risultati specifici, che in alcuni casi l’IPCC ha riportato in modo errato – basti pensare alla previsione della data di sparizione dei ghiacciai Himalayani. Mentre il quadro generale è chiaro, le sue implicazioni specifiche sono, in alcuni casi, ancora affette da significativi margini di incertezza.

Conoscerà sicuramente B. Lomborg, lo statistico danese che è forse la voce più importante tra i detrattori di Kyoto e che propone di dirottare le risorse economiche destinate a Kyoto a settori come la ricerca su tecnologie a bassa emissione, e di passare dall’idea di contrastare il riscaldamento globale a quella di adattarvisi, cosa ne pensa? Sono suggerimenti accettabili e intelligenti o solo “fumo negli occhi”?

L’adattamento è assolutamente necessario. Anche se dovessimo interrompere subito le emissioni di gas serra e aerosol (cosa abbastanza impensabile), l’inerzia del sistema climatico è tale che la temperatura continuerebbe comunque a crescere. Quindi, l’adattamento a condizioni più calde è fondamentale. Ma l’adattamento non basta: oltre un certo limite di aumento di temperatura (indicativamente posto a 2 °C in più rispetto all’epoca pre-industriale, ovvero circa 1.2 °C rispetto ad oggi), i costi dell’adattamento diventano così alti da rischiare di essere insostenibili, e comunque tendono a diventare maggiori dei costi delle strategie di mitigazione basate sulla riduzione di emissioni di aerosol e gas serra.

Ma davvero, come molti pensano, il riscaldamento globale è il più importante problema per l’umanità? Non ci sono problematiche di maggiore priorità e di più facile soluzione come l’eradicazione di malattie come malaria e tubercolosi che ogni anno provocano centinaia di migliaia di morti, oppure la crisi idrica di molti paesi che oltre a rendere insostenibili le condizioni di vita ne blocca alla base ogni possibile sviluppo? Non le sembra che il riscaldamento globale sia visto quasi alla stregua di una soluzione finale per tutti i mali del mondo?

Dipende dalla prospettiva. Per un rifugiato in un campo profughi, il cambiamento climatico non è così importante. Ma se l’aumento del livello del mare rischia di rendere inabitabili alcune isole, per gli abitanti di quei posti il problema è serio. Inoltre, un aumento delle temperature è probabilmente causa di una maggiore espansione di malattie e di condizioni di potenziale siccità in ampie aree della Terra. Un inaridimento severo del Nord Africa avrebbe conseguenze disastrose sull’Africa e sull’Europa, con migrazioni di massa e innesco di instabilità sociali… Naturalmente, non tutte le conseguenze sono negative: inverni più miti alle medie latitudini comportano una minore incidenza di malattie cardiovascolari. Ma anche una maggiore sopravvivenza di parassiti durante l’inverno. E se gli inverni sono più miti, anche le estati sono probabilmente più calde. Per esempio, le proiezioni dei modelli climatici indicano che in uno scenario di riscaldamento globale ci si deve aspettare una probabilità molto maggiore di estati siccitose (come nel 2003) in Francia e in Italia del nord.

Il riscaldamento globale non è l’unico problema che dobbiamo affrontare, e certamente la mitigazione del riscaldamento globale non è la soluzione di tutti i mali e non deve diventare un alibi per non affrontare gli altri problemi, anche ambientali, che incombono. Tuttavia, l’aumento delle temperature in molti casi peggiora anche gli altri aspetti, e quindi è un problema che va affrontato. E’ la prima volta che l’umanità compie un esperimento di modifica ambientale a scala globale, e non è detto che il risultato sia un’ambiente più piacevole per la nostra sopravvivenza.

Un ultima domanda: una delle obiezioni più forti mosse a tutta la teoria del riscaldamento globale è che il clima non sia costante nel tempo. Non pensa che tutti gli scenari sulle conseguenze del riscaldamento globale siano orientati ad un catastrofismo forzato? Se nel passato, con società molto meno evolute a livello tecnologico, l’umanità è sopravvissuta, perché dovrebbe andare crisi proprio ora?

Il clima della Terra varia di continuo, ed è sempre variato. Negli ultimi 200 anni, oltre alle cause naturali si è aggiunto l’aumento dei gas serra atmosferici, in seguito alle attività umane legate all’industrializzazione, al massiccio uso di combustibili fossili e al rapido aumento della popolazione. L’effetto diretto, radiativo, dei gas serra è facilmente calcolabile. Più difficile invece è quantificare gli effetti dei meccanismi di amplificazione innescati dall’aumento della temperatura (per esempio, l’aumento della concentrazione di vapor d’acqua e le modifiche nella copertura nuvolosa e nella risposta della vegetazione). Si ritiene che il riscaldamento in atto oggi sia un fenomeno nuovo rispetto a quanto avvenuto nell’ultimo migliaio di anni, e forse anche più. Il Medioevo è stato un periodo caldo, ma la maggior parte dei ricercatori concorda sul fatto che le temperature siano state comunque inferiori rispetto a quelle odierne, e che il cosiddetto “optimum” medioevale sia stato un evento circoscritto ad un’area geografica, come lo fu anche la piccola era glaciale fra il 1650 e il 1850 circa.

Certamente 60 milioni di anni fa la Terra era molto più calda di quanto lo sia adesso, ma allora non c’erano nè gli esseri umani nè la loro civiltà complessa. Pochi esseri umani con vita nomadica possono sopravvivere a forti cambiamenti climatici (siamo passati attraverso l’ultimo periodo glaciale e la deglaciazione, per esempio), ma una civiltà complessa e caratterizzata da grandi infrastrutture fisse (città, industrie, agricoltura, confini nazionali…) è molto meno resistente al cambiamento di una tribù di cacciatori-raccoglitori. Oggi, un innalzamento della temperatura media della superficie terrestre di qualche grado non segnerebbe certamente la fine del mondo, e neppure quello della specie umana. Tuttavia, potrebbe innescare fenomeni di carestie, migrazioni di massa, guerre e altre calamità che renderebbero il mondo un posto assai diverso di come lo conosciamo adesso, almeno in occidente.

Va anche ricordato che i grandi organismi internazionali pubblici (per esempio, l’ONU e le sue varie oranizzazioni) e privati (per esempio, le compagnie di ri-assicurazione), e i governi più lungimiranti stanno sviluppando strategie per affrontare i disagi e i problemi che si potranno manifestare nel caso di riscaldamento globale severo, quali, appunto, le ondate di migranti attese dai paesi colpiti da siccità e carestie e l’aumento dei rischi legati a fenomeni meteorologici divenuti più intensi. Il catastrofismo è sempre da evitare (e concordo che talvolta alcuni climatologi si sono lasciati trasportare verso la drammatizzazione), ma è anche necessario evitare l’incoscienza e la superficialità del vivere alla giornata.

Oggi, è anche in gioco il diritto degli esseri umani (di tutti gli esseri umani) a vivere in condizioni dignitose. Le proiezioni indicano che molto probabilmente il riscaldamento globale colpirà in modo particolarmente severo quei paesi che già oggi sono più poveri e più esposti alla violenza degli uragani e delle siccità, con infrastrutture più fragili. La sfida, oggi, è saper utilizzare il problema posto dal riscaldamento globale come motore di sviluppo equo, di evoluzione della tecnologia, della società e dei meccanismi produttivi, non certo come scusa per chiudersi in un millenarismo catastrofista.

Antonello Provenzale

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