Oceani di matematica

Dalla mappatura delle rotte marittime allo studio delle maree, la storia del mare è anche storia di ricerca e di matematica. Il Premio Nobel per la fisica Richard Phillips Feynman amava iniziare le lezioni introduttive al corso base di fisica chiedendo ai propri studenti di immaginare di stare su una spiaggia a guardare il mare e riconoscerne la natura composita e complessa: il movimento delle onde, la vita nascosta sotto la superficie, il vento, la sabbia, gli odori.

“Prendiamo ad esempio l'infrangersi delle onde: la superficie si richiude su stessa, si forma la schiuma, particelle d'acqua si disperdono nell'aria e, anche se non si vede, una spinta fisica dell'acqua agisce sull'aria sovrastante”, spiega Emilio Fortunato Campana, direttore del Dipartimento di ingegneria, Ict e tecnologie per l'energia e i trasporti (Diitet) del Consiglio nazionale delle ricerche. “Capire come avviene lo scambio di quantità di moto e di energia tra acqua e aria è materia di ricerca dell'oceanografia e aiuta a salvare vite umane: come faremmo altrimenti a sapere quando, dove e con che forza un uragano toccherà terra? Tutto questo viene simulato numericamente. Abbiamo ottimi modelli capaci di simulare i moti dell'oceano e le correnti dell'aria, ma ci manca ancora una precisa definizione fisica di come si accoppino questi due sistemi. Quando un uragano si sposta sul mare, esercita un attrito il cui valore per ora non conosciamo esattamente. In questo momento i codici di calcolo cercano di simularlo cambiando il valore di alcuni coefficienti, usando come prove i dati sugli uragani passati. Ma se si sbagliano i coefficienti, succede quel che è accaduto con Katrina, il terribile uragano che nel 2005 ha colpito New Orleans: dai calcoli fatti si era immaginato che si sarebbe spostato più lentamente e con meno forza di quanto è stato. È stata sottostimata la capacità del mare di dare energia all'aria”.

In mare aperto, la matematica si mette a servizio anche dell'industria. “Il Cnr ha avviato una collaborazione con la Hyundai per lo studio delle sue navi gasiere. Queste trasportano gas naturale a -173°C, gas che a tale temperatura si trova allo stato liquido. Per motivi di sicurezza, il gas liquefatto non riempie mai completamente la cisterna”, continua il direttore del Cnr-Diitet. “Durante il viaggio però il moto della nave fa sì che il liquido all'interno delle cisterne si muova a sua volta, formando vere e proprie onde che vanno a sbattere contro le pareti della struttura. Un fenomeno detto 'sloshing', che può essere molto pericoloso. Talvolta le pareti delle cisterne vengono danneggiate da queste onde interne e si possono verificare fuoriuscite di gas, uno scenario da evitare. È stato quindi sviluppato uno strumento di simulazione numerica capace di descrivere cosa accade al gas liquefatto interno alla cisterna e quali sono le forze in gioco, così da progettare strutture migliori e più sicure”.

Oceanografia, fisica, ingegneria, ma anche biologia, chimica, geologia… Il mare è fortemente interdisciplinare. “Pensiamo, ad esempio, a tutti gli ambiti di studio relativi all'inquinamento e alla valutazione dell'impatto antropico del mare: dall'innalzamento del livello delle acque prodotto dai cambiamenti climatici alle modificazioni delle correnti oceaniche, dall'acidificazione degli oceani alle microplastiche la matematica è ovunque”, conclude Campana. Un modello matematico capace di descrivere sistemi dinamici complessi come le correnti oceaniche permetterebbe, ad esempio, di capire da dove provengono i tanti rifiuti plastici che hanno dato vita alle 'isole di immondizia' che galleggiano gigantesche nei nostri oceani. La matematica, dunque, potrebbe porsi anche a servizio dell'ambiente.

Giulia Bona

Fonte: Emilio Fortunato Campana, Dipartimento di ingegneria , Ict e tecnologie per l'energia e trasporti, tel. 06/49933663 , email emiliofortunato.campana@cnr.it -