Immagina una tazza enorme di freddo, crema densa con caffè caldo versato sopra. Ora posizionalo su un tavolo rotante. Col tempo, i fluidi si mescoleranno lentamente l'uno nell'altro, e il calore del caffè alla fine raggiungerà il fondo della tazza. Ma come sa la maggior parte di noi impazienti bevitori di caffè, mescolare gli strati è un modo più efficiente per distribuire il calore e godersi una bevanda che non sia bollente o ghiacciata. La chiave sono i turbinii, o vortici, quello formatosi nel liquido turbolento.

"Se aspettassi solo di vedere se la diffusione molecolare lo ha fatto, ci vorrebbe un'eternità e non avrai mai il tuo caffè e latte insieme, "dice Raffaele Ferrari, Cecil e Ida Green Professore di Oceanografia nel Dipartimento della Terra del MIT, Scienze atmosferiche e planetarie (EAPS).

Questa analogia aiuta a spiegare una nuova teoria sulle complessità del sistema climatico sulla Terra e su altri pianeti rotanti con atmosfere e/o oceani, delineata in un recente articolo PNAS di Ferrari e Basile Gallet, un ricercatore in visita EAPS del Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA Saclay, Francia.

Può sembrare intuitivo che l'equatore della Terra bruciato dal sole sia caldo mentre i poli relativamente privi di sole sono freddi, con un gradiente di temperatura nel mezzo. Però, l'intervallo effettivo di quel gradiente di temperatura è relativamente piccolo rispetto a quello che potrebbe essere altrimenti a causa del modo in cui il sistema terrestre trasporta fisicamente il calore in tutto il mondo verso regioni più fredde, moderando gli estremi.

Altrimenti, "Avresti temperature insopportabilmente calde all'equatore e [le latitudini temperate] sarebbero ghiacciate, " dice Ferrari. "Quindi, il fatto che il pianeta sia abitabile, come lo conosciamo, ha a che fare con il trasporto di calore dall'equatore ai poli".

Ancora, nonostante l'importanza del flusso di calore globale per il mantenimento del clima contemporaneo della Terra, i meccanismi che guidano il processo non sono completamente compresi. È qui che entra in gioco il recente lavoro di Ferrari e Gallet:la loro ricerca delinea una descrizione matematica della fisica alla base del ruolo che i vortici marini e atmosferici svolgono nella ridistribuzione di quel calore nel sistema globale.

Il lavoro di Ferrari e Gallet si basa su quello di un altro professore del MIT, il compianto meteorologo Norman Phillips, chi, nel 1956, proposto una serie di equazioni, il "modello Philips, " per descrivere il trasporto globale di calore. Il modello di Phillips rappresenta l'atmosfera e l'oceano come due strati di diversa densità uno sopra l'altro. Mentre queste equazioni catturano lo sviluppo della turbolenza e prevedono la distribuzione della temperatura sulla Terra con relativa precisione, sono ancora molto complessi e devono essere risolti con i computer. La nuova teoria di Ferrari e Gallet fornisce soluzioni analitiche alle equazioni e prevede quantitativamente il flusso di calore locale, energia che alimenta i vortici, e caratteristiche di flusso su larga scala. E il loro quadro teorico è scalabile, il che significa che funziona per i vortici, che sono più piccoli e più densi nell'oceano, così come i cicloni nell'atmosfera che sono più grandi.

Mettere in moto il processo

La fisica dietro i vortici nella tua tazza di caffè è diversa da quella naturale. I mezzi fluidi come l'atmosfera e l'oceano sono caratterizzati da variazioni di temperatura e densità. Su un pianeta rotante, queste variazioni accelerano forti correnti, mentre l'attrito, sul fondo dell'oceano e dell'atmosfera, li rallenta. Questo tiro alla fune provoca instabilità del flusso di correnti su larga scala e produce flussi turbolenti irregolari che sperimentiamo come condizioni meteorologiche in continua evoluzione nell'atmosfera.

I vortici, flussi circolari chiusi di aria o acqua, nascono da questa instabilità. Nell'atmosfera, sono chiamati cicloni e anticicloni (i modelli meteorologici); nell'oceano sono chiamati vortici. In entrambi i casi, sono transitori, formazioni ordinate, emergendo in modo un po' irregolare e dissolvendosi nel tempo. Mentre escono dalla turbolenza sottostante, essi, pure, sono ostacolati dall'attrito, causando la loro eventuale dissipazione, che completa il trasferimento di calore dall'equatore (la parte superiore del caffè caldo) ai poli (la parte inferiore della crema).

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Mentre il sistema Terra è molto più complesso di due strati, l'analisi del trasporto di calore nel modello semplificato di Phillips aiuta gli scienziati a risolvere la fisica fondamentale in gioco. Ferrari e Gallet hanno scoperto che il trasporto di calore dovuto ai vortici, sebbene direzionale caotico, finisce per spostare il calore ai poli più velocemente di quanto farebbe un sistema più fluido. Secondo Ferrari, "i vortici fanno il cane di spostare il calore, movimento non disorganizzato (turbolenza)."

Sarebbe impossibile spiegare matematicamente ogni singola caratteristica del vortice che si forma e scompare, così i ricercatori hanno sviluppato calcoli semplificati per determinare gli effetti complessivi del comportamento del vortice, in base alla latitudine (gradiente di temperatura) e ai parametri di attrito. Inoltre, consideravano ogni vortice come una singola particella in un fluido gassoso. Quando hanno incorporato i loro calcoli nei modelli esistenti, le simulazioni risultanti hanno previsto i regimi di temperatura effettivi della Terra in modo abbastanza accurato, e ha rivelato che sia la formazione che la funzione dei vortici nel sistema climatico sono molto più sensibili alla resistenza per attrito del previsto.

Ferrari sottolinea che tutti gli sforzi di modellazione richiedono semplificazioni e non sono rappresentazioni perfette di sistemi naturali, come in questo caso, con l'atmosfera e gli oceani rappresentati come semplici sistemi a due strati, e non si tiene conto della sfericità della Terra. Nonostante questi inconvenienti, La teoria di Gallet e Ferrari ha attirato l'attenzione di altri oceanografi.

"Dal 1956, meteorologi e oceanografi hanno provato, e fallito, per capire questo modello di Phillips, "dice Bill Young, professore di oceanografia fisica presso Scripps Institution of Oceanography, "Il documento di Gallet e Ferrari è la prima previsione deduttiva di successo di come il flusso di calore nel modello Phillips varia con il gradiente di temperatura".

Ferrari afferma che rispondere a domande fondamentali su come funziona il trasporto del calore consentirà agli scienziati di comprendere più in generale il sistema climatico della Terra. Ad esempio, nel profondo passato della Terra, c'erano momenti in cui il nostro pianeta era molto più caldo, quando i coccodrilli nuotavano nell'Artico e le palme si estendevano fino al Canada, e anche tempi in cui faceva molto più freddo e le medie latitudini erano coperte di ghiaccio. "Chiaramente il trasferimento di calore può cambiare nei diversi climi, quindi vorresti essere in grado di prevederlo, " dice. "E' stata una domanda teorica nelle menti delle persone per molto tempo".

Poiché la temperatura globale media è aumentata di oltre 1 grado Celsius negli ultimi 100 anni, ed è in procinto di superare di gran lunga quello nel prossimo secolo, la necessità di comprendere e prevedere il sistema climatico della Terra è diventata cruciale come comunità, governi, e l'industria si adattano all'attuale contesto in evoluzione.

"Trovo estremamente gratificante applicare i fondamenti dei flussi turbolenti a un problema così tempestivo, "dice Galletto, "A lungo termine, questo approccio basato sulla fisica sarà la chiave per ridurre l'incertezza nella modellazione del clima".

Seguendo le orme di giganti della meteorologia come Norman Phillips, Jule Charney, e Pietro Pietra, che ha sviluppato teorie del clima seminali al MIT, anche questo lavoro aderisce a un monito di Albert Einstein:"Fuori dal disordine, trovare la semplicità."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.