Migliorare i modelli climatici con le onde di gravità

Le onde di gravità, da non confondere con le onde gravitazionali, sono un tipo di perturbazione che si origina generalmente tra strati a diversa densità o all’interfaccia tra due elementi. Le più facili da immaginare sono quelle tra aria e acqua, che hanno la forma delle onde del mare o delle increspature prodotte dal lancio di un sassolino in uno stagno. Le onde di gravità atmosferiche, invece, sono più difficili da vedere anche se si comportano allo stesso modo e sono cruciali per le dinamiche dell’atmosfera, tanto da avere effetti rilevanti nelle previsioni meteorologiche e nei modelli climatici.

Costanza Rodda è una ricercatrice della Brandeburg University of Technology e, in Germania, studia i meccanismi con cui si formano le onde di gravità atmosferiche. In particolare, Rodda si occupa di testare sperimentalmente le previsioni di alcuni modelli climatici.

Nome: Costanza Rodda
Età: 31 anni
Nata a: Trieste
Vivo a: Cottbus (Germania)
Dottorato in: fluidodinamica (BTU)
Ricerca: Variabilità climatica: studio sperimentale delle onde di gravità atmosferiche
Istituto: Aerodynamik und Strömungslehre, Brandenburgischen Technischen Universität-BTU (Cottbus)
Interessi: yoga, arrampicata, leggere
Di Cottbus mi piace: la natura, la tranquillità
Di Cottbus non mi piace: la scarsa offerta di attività e cultura
Pensiero: Before anything else, preparation is the key to success. (Alexander Graham Bell)

Come si formano le onde di gravità atmosferiche?

Esistono sorgenti orografiche e non orografiche. Come dice il nome, queste perturbazioni fisiche dell’aria sono guidate dalla forza di gravità: le onde orografiche si formano, per esempio, quando il vento incontra una montagna e l’aria è costretta a salire per superare l’ostacolo. Risalendo, incontra strati di atmosfera a diversa densità. La forza di gravità agisce come forza di richiamo a una posizione di riposo: nel tornare al punto di equilibrio si fomano delle oscillazioni, ben visibili nelle foto satellitari dell’atmosfera, che sono appunto le onde di gravità.

Per quanto riguarda le sorgenti non orografiche, le più importanti sono la convezione, tipica delle zone all’equatore, e l’emissione spontanea, oggetto del mio lavoro. Alle medie latitudini, l’alternarsi di alta e bassa pressione crea dei flussi d’aria dominati dalla cosiddetta instabilità baroclina; stiamo parlando di una circolazione su scala sinottica, cioè di centinaia di chilometri. Dalla rottura dell’equilibrio tra questi flussi di aria, si originano spontaneamente delle onde di gravità, che sono a scala molto molto piccola (da un paio di km a qualche centinaio di km).

Essendo davvero piccole, queste onde non riescono a essere completamente risolte nei modelli climatici e nei modelli di circolazione globale, e devono essere parametrizzate. Per avere una parametrizzazione efficiente bisogna però sapere quali sono i fenomeni che danno origine alle onde di gravità: di questo si occupa la mia ricerca.

Che tipo di esperimenti usi in questi studi?

Siamo partiti da un esperimento ideato negli anni Cinquanta per studiare l’atmosfera e capire da cosa deriva la variabilità meteorologica alle medie latitudini, e si chiama differentially heated rotating annulus. In pratica è una vasca con 3 cilindri concentrici pieni di acqua tenuta a una temperatura costante.

Nell’anello esterno l’acqua è riscaldata mentre nell’anello più interno è fredda. Il sistema rappresenta la Terra, tagliata a livello dell’equatore e proiettata su un piano in modo da avere un circolo più esterno caldo (equatore) e uno freddo all’interno (uno dei due Poli). Tutta la vasca è posizionata su una piattaforma rotante che viene fatta girare molto lentamente, a simulare il moto della Terra. 
L’acqua nel cilindro intermedio viene scaldata dal lato esterno e raffreddata dal lato interno, tanto che si forma una differenza di temperatura in direzione radiale.

Questo esperimento è stato usato per anni per studiare e analizzare le onde barocline e capire i loro meccanismi di formazione su scale sinottiche.

A che livello si formano le onde di gravità?

Si sviluppano nel cilindro intermedio, sul fronte delle onde barocline, cioè dove abbiamo la maggiore differenza di temperatura.

La formazione delle onde barocline dipende dalla rotazione del sistema e dalla variazione della temperatura, tenuta sotto controllo da una serie di sensori e da una camera a infrarossi che misura la temperatura superficiale. Usiamo anche una tecnica chiamata Particle Image Velocimetry, molto conosciuta in fluidodinamica, per misurare la velocità del fluido. Si tratta di inserire delle particelle traccianti, che non galleggiano né affondano ma seguono semplicemente il fluido e, con un laser, illuminarle orizzontalmente. Il loro moto viene registrato da una telecamere e poi, con un algoritmo, è possibile convertirlo in velocità del fluido.

I dati sulla velocità sono molto importanti per dimostrare la presenza delle onde di gravità. Infatti, mentre la componente rotazionale della velocità è legata alle onde barocline, quella divergente è in relazione con le onde di gravità. Dal plot di divergenza si possono ricavare le caratteristiche delle onde, cioè la loro lunghezza d’onda e la loro frequenza, e da qui finalmente verificare se tali onde soddisfano o meno la relazione di dispersione e, quindi, se sono onde di gravità.

Quali sono le prospettive future?

Già vederle è stato un successo, siamo stati i primi a individuarle in questo tipo esperimento: il nostro sistema di cilindri è piuttosto grande, ha un diametro di 1,5 metri, contro i tradizionali 30 centimetri, e una distanza tra cilindro esterno e interno di 30-40 cm. Le onde di gravità sono veramente piccole, hanno una lunghezza d’onda di 1 o 2 cm perciò ci vogliono ottime tecniche di visualizzazione e misura.

Adesso che abbiamo messo a punto le condizioni degli esperimenti in laboratorio, inizieremo a testare alcuni modelli teorici per verificare se i parametri di onde barocliniche predetti portano effettivamente all’emissione di onde di gravità con certe caratteristiche.

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