Volare per lunghe distanze: questione di vento e leggi della fisica
Studiare gli spostamenti degli uccelli aiuta a comprendere il loro comportamento ma anche a migliorare la nostra tecnica di volo
SCOPERTE – Gli uccelli migratori sono in grado di coprire lunghe distanze, spesso senza fare soste. Il primato spetta alla specie Limosa lapponica, che è in grado di coprire una distanza superiore agli 11 000 chilometri senza fermarsi. Ci sono uccelli, come le fregate maggiori, che possono anche volare per due mesi consecutivi senza sosta. Un uccello migratore può arrivare a viaggiare anche per 3000 chilometri al giorno. Il record della migrazione più lunga va alla sterna artica, che per completare il suo viaggio dalle coste atlantiche dell’Europa all’Antartide e ritorno può arrivare a coprire in media 70 000 chilometri.
Come fanno gli uccelli a compiere viaggi cosi lunghi? Per questi volatili è fondamentale risparmiare energia e aumentare al massimo la portata del volo. Sfruttare le correnti di aria ascensionali, le cosiddette termiche – masse di aria calda che si sollevano in seguito al loro riscaldamento – è una strategia che si rivela essenziale e tutt’altro che banale. Lo sanno i piloti di alianti: occorre prendere decisioni complesse e sviluppare strategie a lungo termine per sfruttare al meglio la spinta impartita dalle colonne d’aria. La situazione più tipica che si presenta a chi sfrutta le termiche è quella di dover fronteggiare colonne d’aria turbolente e al contempo tenere la rotta. Studiare dunque il comportamento animale potrebbe essere di grande utilità per migliorare le nostre capacità di volo: gli animali, seppur privi di strumenti tecnologici, sono più capaci degli esseri umani di sfruttare le correnti migliori, soprattutto in un contesto in cui i velivoli senza motore potrebbero avere un forte sviluppo.
Lo studio dei flussi atmosferici, dell’aerodinamica del volo e del comportamento animale ha permesso di ricondurre l’intero processo a semplici modelli di comportamento animale, in cui è sufficiente un numero limitato di informazioni per riuscire a rimanere in aria senza posarsi per settimane. La ricerca è stata condotta dalla collaborazione tra Antonio Celani, ricercatore del Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam di Trieste (ICTP), il Dipartimento di Fisica della University of California di San Diego (UCSD) e il Salk Institute for Biological Studies, e pubblicata sulla rivista PNAS.
Un aspetto cruciale per volare in modo efficiente in termica è quello di individuare una corrente atmosferica e mantenere il volo al centro di essa, dove il sollevamento è più intenso, e così ottenere una migliore spinta verso l’alto. Quando poi gli uccelli migratori raggiungono la cima di una termica planano verso la successiva e ripetono il processo. Ma quali variabili atmosferiche sfrutteranno gli uccelli per selezionare la termica più efficiente? E soprattutto, come faranno a valutare e prevedere le evoluzioni delle termiche in un contesto di forte turbolenza e variabilità?
Per rispondere a tali domande è stato necessario impostare una simulazione al computer, che sfruttasse algoritmi capaci di mimare le discese e le risalite degli uccelli e di individuare le migliori strategie di volo, sulla base di tentativi ed errori, un vero e proprio metodo di apprendimento empirico che potrebbe essere sfruttato dai volatili per imparare la migliore tecnica di volo. “Abbiamo realizzato simulazioni numeriche dello strato limite dell’atmosfera che, come nella realtà, presenta una sequenza irregolare di correnti termiche ascendenti e discendenti in uno sfondo di forti fluttuazioni di velocità,” spiega Celani, membro della sezione di Scienze Quantitative della Vita all’ICTP. Infatti, le correnti termiche sono comunemente osservate nelle giornate calde e soleggiate, nello strato limite dell’atmosfera.
“Successivamente, abbiamo implementato il nostro algoritmo di apprendimento per individuare quale combinazione di informazioni locali disponibili fosse necessaria per ottenere il risultato migliore in termini di efficienza di volo”. Inizialmente i ricercatori avevano ipotizzato che si trattasse di parametri atmosferici, come la velocità del vento o la temperatura. “Sorprendentemente, per ottenere strategie eccellenti, sono stati necessari solo due tipi di informazione: l’accelerazione verticale della corrente e il momento meccanico, cioè l’attitudine della forza del vento a imprimere una rotazione all’uccello”, continua Celani.
Anche il metodo di apprendimento per rinforzo è stato efficace: incentivando le scelte corrette e penalizzando gli errori, gli uccelli virtuali che stavano imparando a volare nella simulazione del computer erano in grado di comprendere quale fosse il miglior comportamento da tenere in volo, per scegliere la termica più opportuna.
La strategia di volo peraltro varia in base al livello di turbolenza: “In un regime fortemente turbolento, le strategie di volo tendono a diventare più conservative per evitare percorsi sbagliati che comporterebbero un dispendio energetico elevato”, ha spiegato Celani. Ancora non è stato chiarito quali indizi seguano gli uccelli per quantificare il rischio nelle zone più turbolente e in base a questo adattare il loro volo. La collaborazione tra gli istituti che hanno partecipato alla ricerca è destinata a continuare: “I nostri partner americani sono al lavoro su alianti su piccola scala controllati in remoto che implementano la nostra strategia”, ha anticipato Celani.
I veicoli aerei senza pilota hanno un forte potenziale commerciale. Oggi c’è addirittura interesse a introdurli nei voli che riguardano il trasporto di civili, che così sarebbero immuni dall’errore umano.
“Per questo motivo, gli studi teorici e le ricerche eseguite su questi sistemi a spesa energetica minima, all’inizio della fase di sviluppo, hanno risvolti piuttosto rilevanti”, ha commentato Celani.
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