Turbolenza sul fondo dell’oceano

RICERCANDO ALL’ESTERO – “La storia di un qualsiasi sistema è importante per predire che cosa accadrà in futuro. Nel mio caso parliamo di oceano e del suo ruolo nei cambiamenti climatici. Non è una cellula o un organismo complicato con tanti elementi che lavorano assieme, è solo acqua di mare. Ma, dal punto di vista teorico, ha una dinamica talmente complessa da rappresentare un rompicapo per i ricercatori e un problema per i modelli climatici”.

Nome: Andrea Cimatoribus
Età: 33 anni
Nato a: Maniago (PN)
Vivo a: Texel (Paesi Bassi)
Dottorato in: Oceanografia fisica (Utrecht, Paesi Bassi)
Ricerca: Comprendere i fenomeni di trasporto in oceano per migliorare le previsioni climatiche.
Istituto: NIOZ Royal Netherlands Institute for Sea Research
Interessi: fotografia, musica, montagna, mare, mitologia greca antica.
Di Texel mi piace: l’essere vicino al mare, con spiagge nordiche e fredde ma bellissime.
Di Texel non mi piace: il cibo e l’isolamento.
Pensiero: “Felice chi ha conosciuto la ricerca, non orientato alla sciagura dei cittadini, né verso inique azioni, ma guardando l’ordine che non invecchia della natura immortale, quando si costituì e dove e come”. (Euripide)

Quali sono le dinamiche che rendono l’oceano così complesso dal punto di vista delle previsioni climatiche?
L’oceano è molto importante per la regolazione del clima non solo perché rappresenta il 70% della superficie terrestre ma anche in quanto riserva di calore, serbatoio dell’anidride carbonica atmosferica, scorta alimentare. Tutto ciò che è presente in acqua, come gas, inquinanti, nutrienti, calore, viene continuamente rimescolato da movimenti come vortici, flussi e scambi di energia che rappresentano quella che viene chiamata turbolenza. Basta pensare che se i pesci devono mangiare, i nutrienti presenti sul fondale marino devono in qualche modo salire fino a raggiungere le profondità minori dove vivono. E ciò avviene grazie alla circolazione oceanica.

Come sappiamo (ndr ne abbiamo parlato qui), per fare previsioni climatiche si utilizzano modelli matematici che hanno molte incertezze. Una di queste è rappresentata dalla turbolenza in oceano in quanto non sappiamo ancora come definire matematicamente tutti quei fenomeni di trasporto e scambio che avvengono a scale piccole, nell’ordine del metro. Certo, ci sono equazioni matematiche che definiscono e quantificano l’effetto della circolazione oceanica ma, avendo una base puramente empirica, se applicate fuori dall’ambito in cui sono state sviluppate possono essere deboli. Per esempio, la formula per descrivere un certo flusso, cioè un certo movimento, sviluppata studiando un fenomeno nei tropici non può essere utilizzata per descrivere lo stesso fenomeno nell’artico, come spesso avviene.

La mia ricerca mira a comprendere meglio le dinamiche della turbolenza in fondo all’oceano in modo che in futuro gli scienziati che si occupano di modelli usino queste informazioni per costruire una nuova formula, che contenga più elementi e quindi funzioni meglio.

Su quali aspetti della turbolenza ti sei concentrato?
La turbolenza rimescola un po’ tutto quello che sta in acqua, ma il mio lavoro si è concentrato soprattutto sull’oscillazione della temperatura nelle zone subito sopra il fondale, a circa 100-200 metri dal fondo, e quindi a una profondità di 2000-3000 metri. Il motivo è che secondo alcune ipotesi, in parte confermate da varie osservazioni sperimentali, in questo sottilissimo strato di fondale c’è moltissima turbolenza.

Dal punto di vista pratico, mi occupo di rielaborare i dati provenienti da particolari sensori posti in profondità nell’oceano e lasciati là diversi mesi. Questi strumenti sono stati sviluppati nel mio istituto, sono lunghi come una mano, hanno il diametro di una moneta e vengono collegati a un cavo, circa 200 per cavo, con uno scotch giallo. Hanno una schedina di memoria come quella delle macchine fotografiche su cui misurano la temperatura dell’acqua a intervalli di un secondo.
Sviluppare questi sensori è stato un lavoro durissimo iniziato dal mio capo quasi 20 anni fa ma grazie al suo progetto oggi abbiamo strumenti con caratteristiche superiori rispetto a quelli attualmente in commercio, molto più precisi e in diverse versioni.

A quali conclusioni sei arrivato?
I miei risultati più interessanti sono due. Per quanto riguada il primo, guardando l’oscillazione delle temperature e paragonandole a quelle misurate in laboratorio in condizioni controllate, abbiamo visto che la fonte di energia della turbolenza sta nelle onde. Dentro all’oceano non è tutto calmo e ci sono delle onde, simili a quelle che vediamo arrivare sulla spiaggia, che invece di formarsi tra acqua e aria, si formano tra strati di acqua a densità diverse. Quando queste onde si rompono, come quelle della spiaggia, creano una forte turbolenza.

I miei risultati mostrano che queste onde si rompono in una scala ben precisa: a scale più grandi vanno avanti per la loro strada, a scale più piccole creano turbolenza. Questo è interessante per vari motivi, sia perché a seconda della fonte di turbolenza l’efficienza del flusso di calore è diversa, sia perché grazie a questa informazione possiamo rappresentare meglio la turbolenza nei modelli di fluidodinamica e in quelli climatici.

La seconda scoperta che ho fatto riguarda la variazione di temperatura lungo una colonna d’acqua. Immaginiamo che l’oceano sia come un blocchetto di fogli sovrapposti, ciascuno con una sua temperatura che varia in verticale. In teoria ci dovrebbe essere un flusso di calore dagli strati più caldi a quelli più freddi, in pratica è estremamente difficile che il primo e l’ultimo foglio si parlino perché, per il principio di Archimede, hanno densità diverse. Tutto cambia se ho a disposizione un frullatore o, nel nostro caso, se ci sono turbolenze perché ci si aspetta un trasferimento di calore significativo.
Dai dati raccolti in oceano, invece, si osserva che la relazione tra la differenza media di temperatura dei vari strati d’acqua e il flusso di calore complessivo è lineare.

La cosa ancora più interessante è che in laboratorio, con un modello semplificato e ovviamente con margini di errore, si era giunti alla stessa conclusione. Questo è molto sorprendente perché nell’oceano ci sono tantissime variazioni, onde che passano, maree, eccetera. E se pensiamo al riscaldamento globale, quando a causa di cambiamenti climatici la temperatura della superficie terrestre aumenterà, potrebbe non verificarsi l’extra trasferimento di calore che ci si aspetterebbe avendo scaldato una superficie e perturbato una situazione di equilibrio.

Finalmente sembra che iniziamo a capire qualcosa di turbolenza, che è un problema abbastanza aperto in fluidodinamica.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
Sarebbe interessante riuscire a capire la struttura tridimensionale di una colonna d’acqua e fare le misure non più in una dimensione, ma usare multiple linee con i sensori attaccati da calare in oceano. Purtroppo uno dei grossi problemi delle osservazioni sul campo è che costano molto. Ma sono indispensabili, soprattutto perché molte delle formule che valutano gli scambi tra atmosfera e oceano si basano su misure fatte d’estate col bel tempo e hanno un bias stagionale. Stiamo già cercando di migliorare ma spesso ci si scontriamo con problemi pratici: per esempio, se misurare il flusso dentro a un uragano fosse fondamentale, saremmo nei guai perché una sonda là dentro non si riesce a mettere.

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Crediti immagine: Andrea Cimatoribus