La previsione del movimento dei fiocchi di neve: una scoperta rivoluzionaria
La ricerca scientifica è in continua evoluzione e, talvolta, ci sorprende con scoperte che semplificano concetti che per anni sono stati considerati estremamente complessi. È il caso del movimento dei fiocchi di neve, un fenomeno che ha sempre affascinato gli scienziati e che ora, grazie a un team di ricercatori dell’Università dello Utah, potrebbe essere previsto con una semplicità sorprendente.
Tim Garrett e la passione per i fiocchi di neve
Tim Garrett, scienziato atmosferico dell’Università dello Utah, ha dedicato la sua carriera allo studio dei fiocchi di neve, particelle di ghiaccio in continua trasformazione che si originano nelle nuvole e cambiano drasticamente mentre scendono verso la Terra. Utilizzando strumentazione innovativa sviluppata nel campus universitario, Garrett e il suo team hanno analizzato oltre mezzo milione di fiocchi di neve, arrivando a conclusioni che hanno lasciato lo scienziato sbalordito.
Contrariamente a quanto si pensava, il movimento dei fiocchi di neve non è qualcosa di incomprensibilmente complicato. Infatti, i ricercatori hanno scoperto che è possibile prevederlo attraverso un modello matematico semplice basato sul numero di Stokes, un parametro che riflette la rapidità con cui le particelle rispondono ai cambiamenti nei movimenti dell’aria circostante.
Le implicazioni per la previsione meteorologica e il cambiamento climatico
La caduta dei fiocchi di neve è un parametro critico per la previsione del tempo e la comprensione del cambiamento climatico, in quanto è strettamente legata alla velocità del ciclo dell’acqua. La rapidità con cui l’umidità precipita dal cielo determina la durata delle tempeste e può influenzare persino le previsioni sulla traiettoria degli uragani.
La ricerca, condotta anche con la collaborazione di Dhiraj Singh ed Eric Pardyjak del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università, ha importanti implicazioni per la previsione del tempo e il cambiamento climatico, anche nelle regioni tropicali, dove la maggior parte delle precipitazioni inizia come neve.
La strumentazione DEID e le sorprendenti scoperte
La sfida della misurazione dei singoli fiocchi di neve
Per studiare il movimento dei fiocchi di neve, il team aveva bisogno di un modo per misurare i singoli fiocchi, una sfida che per anni è stata un rompicapo per gli scienziati. I fiocchi di neve hanno masse molto basse, potrebbero pesare solo 10 microgrammi, quindi non possono essere pesati con alta precisione.
Collaborando con la facoltà di ingegneria, Garrett ha sviluppato uno strumento chiamato Differential Emissivity Imaging Disdrometer, o DEID, che misura la massa idrometeorica, la dimensione e la densità dei fiocchi di neve. Questo dispositivo è stato successivamente commercializzato da una società co-fondata da Garrett chiamata Particle Flux Analytics. Il Dipartimento dei Trasporti dello Utah ha implementato l’attrezzatura a Little Cottonwood Canyon per aiutare nella previsione delle valanghe.
Esperimenti sul campo e risultati inaspettati
Per gli esperimenti sul campo, il team ha installato la strumentazione ad Alta, la famosa destinazione sciistica e il luogo più nevoso dello Utah nell’inverno 2020-21. L’attrezzatura è stata dispiegata insieme a misurazioni della temperatura dell’aria, dell’umidità relativa e della turbolenza, e posizionata direttamente sotto un sistema di tracciamento delle particelle costituito da un foglio di luce laser e una fotocamera reflex.
Analizzando la turbolenza, la massa, la densità e la dimensione dei fiocchi di neve e osservando come si muovono nella turbolenza, i ricercatori sono stati in grado di creare un quadro completo che non era stato possibile ottenere prima in un ambiente naturale.
I risultati non sono stati quelli che il team si aspettava. Nonostante le forme intricate dei fiocchi di neve e il movimento irregolare dell’aria che incontrano, i ricercatori hanno scoperto che potevano prevedere come i fiocchi di neve avrebbero accelerato basandosi sul numero di Stokes. Inoltre, la distribuzione di queste accelerazioni poteva essere descritta da una singola curva esponenziale indipendente dal numero di Stokes.
I ricercatori hanno scoperto che lo stesso modello matematico poteva essere collegato a come i cambiamenti nelle forme e nelle dimensioni dei fiocchi di neve influenzano la velocità con cui cadono, suggerendo una connessione fondamentale tra il modo in cui si muove l’aria e come i fiocchi di neve cambiano mentre cadono dalle nuvole al suolo.
“Questo, per me, sembra quasi mistico”, ha detto Garrett. “C’è qualcosa di più profondo che sta accadendo nell’atmosfera che porta a una semplicità matematica piuttosto che alla straordinaria complessità che ci aspetteremmo guardando le strutture complicate dei fiocchi di neve che si muovono caoticamente nell’aria turbolenta. Dobbiamo solo guardarlo nel modo giusto e i nostri nuovi strumenti ci permettono di vedere ciò.”
La ricerca, pubblicata sulla rivista Physics of Fluids, è stata finanziata dalla National Science Foundation e rappresenta un passo avanti significativo nella comprensione dei fenomeni atmosferici e nella previsione meteorologica.
