“Istruzioni” guidate dalla gravità nei fluidi stratificati
I movimenti dei fluidi astrofisici o geofisici possono essere influenzati dalla presenza di notevoli variazioni di densità nel fluido. Tra gli strati con densità diversa, esiste un’interfaccia lungo la quale si propagano le onde, analogamente alle onde sulla superficie dell’oceano. Tali onde di gravità possono anche propagarsi nella massa di un fluido stratificato, vale a dire un fluido la cui densità varia in continuità con la profondità. La differenza nelle densità determina quanto sia potente la forza di richiamo e, successivamente, a quale altezza possono crescere le ampiezze dell’onda. La stratificazione controlla anche in modo rigido la frequenza e la lunghezza d’onda delle onde eccitate. Nell’ambito del progetto COWAVE, alcuni scienziati hanno sviluppato un’installazione da ritenere tra le più semplici per analizzare tali effetti densità. Nei loro esperimenti, gli scienziati COWAVE hanno utilizzato l’acqua confinata in una cisterna, con uno strato turbolento adiacente a uno strato stratificato. Aggiungendo sale o variando la temperatura dell’acqua, sono riusciti a controllare la spinta idrostatica. Le differenze di spinta idrostatica nella cisterna hanno prodotto la stratificazione desiderata, con acqua densa sul fondo e acqua più leggera verso la superficie. Per indagare sul tempo e gli spettri di frequenza delle onde eccitate, gli scienziati impegnati in COWAVE hanno combinato misure di temperatura o densità con misurazioni di velocità globale. È stato sviluppato anche un modello matematico numericamente assistito di tale sistema. L’analisi di movimenti turbolenti e oscillatori teoricamente predetti, che erano stati parzialmente esplorati negli esperimenti, ha confermato le capacità predittive dei modelli numerici. Ma anche con tale semplice sistema, sono emersi alcuni fenomeni fisici nuovi e non intuitivi. Il progetto COWAVE ha dimostrato che i movimenti turbolenti eccitano prevalentemente le onde a bassa frequenza che restano ubicate intorno all’interfaccia. Le onde ad alta frequenza si propagano più profondamente nella cisterna stratificata, a causa di una bagnatura selettiva, in funzione della spinta idrostatica del fluido ambiente. I risultati COWAVE contribuiranno a comprendere meglio gli effetti delle onde di gravità nei modelli di circolazione generale in atmosfera e le loro predizioni di modelli meteorologici. Serviranno anche a capire meglio l’evoluzione delle stelle e dei nuclei planetari, dove la dinamica di strati stratificati è stata finora ampiamente trascurata.
