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La FISICA delle NUBI, si fa avanti una nuova RICERCA

Nel 1941 il fisico russo Andrey Kolmogorov sviluppò la teoria della turbolenza che è poi servita come base fondamentale per la nostra comprensione di questo importante fenomeno naturale. La turbolenza si verifica quando il flusso del fluido è caratterizzato da cambiamenti fisici caotici. La teoria di Kolmogorov è molti utile per comprendere le transizioni da uno stato di turbolenza all'altro, che devono risultare molto "morbide" affinchè il processo si svolga con regolarità.

Ora però un nuovo esperimento condotto da alcuni fisici a Santa Barbara smentisce categoricamente queste interpretazioni della teoria di Kolmogorov. I loro risultati sono stati pubblicata in settimana sulla rivista Physical Review Letters. "Nel nostro lavoro abbiamo evidenziato, dopo approfonditi studi, che queste transizioni sono davvero taglienti", riferisce Guenter Ahlers, professore presso il Dipartimento di Fisica dell'Università della California. "Siamo stati illuminati da questi dati, che ci hanno dimostrato che l'intepretazione di Kolmogorov non era corretta. Per un fisico e la fisica in generale si tratta di una scoperta davvero molto importante".

Ahlers, insieme ai suoi collaboratori Ping Wei e Stephan Weiss, studiano la convezione turbolenta che svolge un lavoro importante in numerosi processi naturali e industriali. Si possono definire convezioni turbolente quando un fluido contenuto è riscaldato dal basso e raffreddato dall'alto. Poiché la differenza di temperatura aumenta, il flusso convettivo diventa così talmente vigoroso che il campo di velocità diventa turbolento.

Utilizzando un sistema di rotazione cilindrico costruito dalla squadra di Ahlers, i ricercatori hanno riscaldato il fluido dal basso in modo da farlo espandere e farlo divenire meno denso del liquido nella parte superiore. La gravità terrestre poi inverte le loro posizioni e vanno così a generarsi delle turbolenze. Poi, successivamente, a questo meccanismo gli scienziati hanno aggiunto anche la rotazione: "Quando si ruota si ottengono nuove forze che agiscono, tra cui anche la forza di Coriolis, che da al liquido la forma di piccoli vortici simili ai tornado", ha spiegato Ahlers.

"In questo modo il sistema è pieno di questi piccoli vortici vicino alla piastra di riscaldamento e anche nella parte superiore. Solo in questo punti, infatti, tali vortici risultano più freddi" - ha aggiunto Ahlers. "In un primo momento i vortici non sono collegati, perchè hanno una durata relativamente breve. Ma, come il cilindro inizia a ruotare sempre più velocemente, anche i vortici tendono ad estendersi e alla fine formano colonne su tutto il sistema. Quando accade questo i fisici dicono che la simmetria del sistema cambia".

Il prossimo passo per Ahlers e il suo team sarà quello di misurare il trasporto di calore e, soprattutto, lo scambio di energia termica, che si esprime con il numero di Nusselt. Wilhem Nusselt è stato un ingegnere tedesco agli inizi del 1900 e fu lui, per primo, a misurare il trasporto di calore attraverso i vetri doppi di una finestra. "Se si guarda al numero di Nusselt si può osservare che il trasporto di calore non cambia se aumenta la velocità di rotazione", ha ribadito Ahlers.

(Un esempio di convezione turbolenta naturale, quando lunghe file di cumulonembi sono orientate parallelamente alla direzione del vento)

Nel documento i ricercatori utilizzano lunghe file di nubi cumuliformi orientate parallelamente alla direzione del vento, come il più classico esempio di convezione turbolenta naturale. Queste nubi a fondo "piatto" si formano quando soffia aria fredda su acque più calde e su di uno strato di aria più calda (inversione termica). Come l'acqua relativamente calda cede calore e umidità che si spingono poi verso l'aria più fredda, colonne di termiche (che vengono riscaldate naturalmente) salgono attraverso l'atmosfera. Questo sembra essere il processo classico della formazioni delle nubi, specie quelle convettive, ma per Ahlers questo non è il processo esatto...

Rinaldo Cilli

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