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Large Deviations and Rare Transitions in Turbulent flows

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Comprendere gli eventi estremi nei regimi turbolenti

Un ricercatore francese sta studiando in che modo gli eventi estremi e le transizioni improvvise riscontrate nei regimi turbolenti possano avere un impatto sul tempo atmosferico e sul clima.

Ricerca di base

I regimi turbolenti, anche noti come turbolenza, sono movimenti fluidi caratterizzati da rapidi cambiamenti nella pressione e nella velocità del flusso. Regimi turbolenti quali atmosfere planetarie, oceani e flussi attorno a un profilo alare o a una turbina eolica subiscono forti fluttuazioni nel loro stato medio. In alcuni casi, potrebbero persino passare improvvisamente a una configurazione di flusso completamente diversa. «Sebbene questi eventi estremi siano cruciali per il tempo atmosferico, il clima e una serie di applicazioni ingegneristiche, molti aspetti rimangono scarsamente compresi», afferma Corentin Herbert, ricercatore di fisica presso l’ENS di Lione. «Poiché i regimi turbolenti hanno, in generale, diversi attrattori metastabili, ci si può aspettare che le transizioni improvvise nell’oceano e nell’atmosfera dipendano esclusivamente dalla natura turbolenta degli stessi». Nell’ambito di TransTurb, un progetto di ricerca supportato dalle azioni Marie Skłodowska-Curie, Herbert si prefiggeva di comprendere meglio tali eventi estremi e le transizioni improvvise nei regimi turbolenti.

Un punto di non ritorno per il clima globale

Lo scopo scientifico del progetto era quello di approfondire se le transizioni spontanee tra stati bistabili esistessero nell’atmosfera e se fossero paragonabili alle transizioni indotte dal rumore studiate in fisica statistica. «Sebbene sia impossibile sapere quando avverrà la transizione, le dinamiche sono generalmente prevedibili poiché il sistema segue sempre lo stesso percorso per produrre l’evento raro», spiega Herbert. Il fenomeno su cui si è concentrato il progetto, chiamato super-rotazione equatoriale, è un’inversione nella direzione dei venti di superficie tropicali. «Mentre i venti orientali prevalgono sulla Terra, i venti occidentali sono osservati in molte atmosfere planetarie come Venere», afferma Herbert. «Le transizioni improvvise verso la super-rotazione potrebbero rappresentare un nuovo esempio di punto di non ritorno per il clima globale, o più speculativamente, per il cambiamento climatico antropogenico». Utilizzando calcoli teorici e simulazioni numeriche, il progetto ha dimostrato in modo inequivocabile che un meccanismo con feedback tra le onde equatoriali nell’atmosfera e il vento di fondo porta a bi-stabilità e transizioni improvvise. Il progetto ha anche chiarito a quali condizioni ciò accade.

Algoritmi di adattamento

Secondo Herbert, lo studio di eventi estremi in sistemi complessi presenta grandi difficoltà tecniche. «La difficoltà principale risiede nel fatto che siamo interessati a eventi rari per i quali, per definizione, disponiamo di poche osservazioni», afferma. «Le simulazioni numeriche dirette del sistema non attenuano realmente il problema perché i modelli per flussi turbolenti o il sistema climatico sono dispendiosi dal punto di vista computazionale». Per risolvere questo problema di campionamento, diversi gruppi hanno sviluppato algoritmi numerici efficaci. «Il secondo obiettivo del progetto TransTurb consisteva nel dimostrare che questi algoritmi possono essere adattati per rispondere a interrogativi rilevanti in merito a eventi rari in regimi turbolenti», spiega Herbert. «Basandosi sulla competenza di algoritmi per eventi rari, abbiamo dimostrato che tali algoritmi consentono la valutazione del tempo caratteristico che intercorre tra due occorrenze di un evento raro, definito “tempo di ritorno”».

Strumenti disponibili per altri ricercatori

Molti degli strumenti numerici sviluppati durante il progetto sono adesso pubblicamente disponibili tramite Github. «Ciò dovrebbe agevolare altri ricercatori nel migliorare ed estendere i nostri metodi nonché applicarli ad altri sistemi», aggiunge Herbert. «Spero che il progetto abbia mostrato alla comunità della fisica che esistono molti problemi affascinanti nella climatologia per i quali le loro abilità possono essere utili».

Parole chiave

TransTurb, regimi turbolenti, turbolenza, atmosfera, tempo atmosferico, clima, fisica, super-rotazione equatoriale, climatologia

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