Usare il caos per modellare i fenomeni geofisici

 

I fenomeni geofisici, quali i moti dell'atmosfera e dell'oceano, sono di solito modellati matematicamente tracciando le traiettorie delle particelle di aria o di acqua (particelle intese non come atomi ma come masse d'aria con composizione e caratteristiche fisiche uniformi). Questi modelli descrivono il campo di velocità nella sua distribuzione spaziale e nella sua variazione temporale, consentendo di definire una velocità della particella per ogni punto del dominio e per ogni istante di tempo.

Alcuni fenomeni geofisici non sono ancora però del tutto compresi o descritti in maniera rigorosa: un esempio può essere rappresentato dai moti in regime turbolento. Tuttavia, è fondamentale che gli scienziati possano descrivere le proprietà di trasporto di questi sistemi geofisici: detto in termini molto semplici, come fa un pacchetto di aria o di acqua ad andare da A a B e quanto grandi sono questi pacchetti? Un esempio di questi pacchetti è il Vortice Polare Antartico, un "tubo" di aria rotante nella stratosfera antartica che intrappola le sostanze chimiche come l'ozono ed i clorofluorocarburi (CFC), aggravando l'effetto dei CFC sul buco dell'ozono.

Un gruppo di ricerca  della Scuola di Scienze della Terra e del Mare presso l'Università di Victoria, in Canada, ha sviluppato un approccio diretto all'individuazione di tali pacchetti, chiamati "insiemi coerenti" per le loro proprietà non dispersive.

Questa tecnica si basa sui cosiddetti "operatori di trasferimento", che rappresentano una descrizione completa dell'evoluzione d'insieme del fluido. L'approccio che utlizza l'operatore trasferimento è molto semplice da implementare, dato che richiede solo il calcolo dei vettori singolari di una matrice delle transizioni indotte dalle dinamiche.

Nelle prove effettuate con i dati del Centro Europeo per le previsioni a Medio Termine (ECMWF), è emerso che  la nuova metodologia è risultata significativamente migliore delle tecnologie esistenti nell'identificazione delle proprietà di posizione e di trasporto del vortice.
Il metodo dell' operatore di trasporto ha moltissime applicazioni nel campo della scienza atmosferica e dell'oceanografia fisica, soprattutto per scoprire e quantificare le vie principali di trasporto in atmosfera e negli oceani. La prossima struttura a cui sarà applicato il metodo sono gli anelli Agulhas al largo della costa del Sud Africa, responsabili di un trasporto significativo di acqua tiepida e sale tra l'oceano Indiano e l'Atlantico.

fonte: American Institute of Physics