L'importanza vitale della vorticità

La vorticità e più in generale la turbolenza è uno di quei meccanismi perfetti che garantiscono il mantenimento della vita sulla Terra. Difficile crederlo? Cerchiamo, prima di tutto, di capire di cosa si tratta. Per immaginarla, dobbiamo pensare ad una ruota, ad esempio di una bicicletta, in movimento all'interno di un flusso d'aria. Se osserviamo i vari raggi che compongono la struttura metallica, notiamo che in base alla posizione nella rotazione, le velocità di spostamento in orizzontale e in verticale aumentano e diminuiscono. Ebbene, la vorticità è proprio la quantità di movimento (velocità e direzione) di un punto in rotazione. In natura esistono 2 tipi di vorticità strettamente collegati tra di loro: la vorticità relativa e quella planetaria che in congiunzione danno la vorticità assoluta. Il concetto di vorticità relativa è piuttosto astratto. Per capirlo introduciamo, un po' semplificata, la circolazione, ossia la media delle componenti della velocità del flusso tangenziali allo spostamento. In altre parole, stiamo passeggiando in bicicletta e i raggi della struttura metallica che compongono la ruota girano al ritmo delle nostre pedalate. Ad un istante t, un punto su di esse avrà due componenti di velocità: una tangenziale ed una perpendicolare alla curva descritta dal movimento della ruota. Ad un istante successivo queste componenti saranno diverse. Facendo una media delle componenti tangenziali otteniamo appunto il concetto di circolazione. A questo punto, sappiamo che la vorticità relativa è la circolazione per un'unità di area. La vorticità planetaria sotto certe condizioni è una costante, che è pari a 2 volte la velocità angolare di una particella in movimento (calcolata nel riferimento terrestre). Se una particella d'aria in movimento da ovest ad est nel nostro emisfero, devia verso il Polo e non subisce modificazioni nelle sue dimensioni, la circolazione planetaria aumenta, e di conseguenza, per la conservazione della circolazione assoluta in un fluido barotropico (senza quindi che ci siano rimescolamenti rapidi) diminuisce la circolazione relativa. Questo meccanismo sta alla base della stabilità dei flussi provenienti da ovest, e dell'instabilità di quelli provenienti da est: cioè se una particella in movimento da ovest verso est viene deviata per qualche motivo verso nord, per il meccanismo appena illustrato in seguito compirà un moto anticiclonico che la riporterà al punto di partenza; al contrario se una particella si muove da est verso ovest,e viene deviata verso nord, la conservazione della circolazione le fa compiere (anche in questo caso) un moto anticiclonico, che la porta ad andare (stavolta) ulteriormente verso nord, amplificando l'anomalia e rendendo instabile la corrente. Questo è uno dei motivi per i quali in certe condizioni si forma l'anticiclone scandinavo, grazie ai contributi forzanti dati dagli Urali. Assumiamo adesso che l'area della massa d'aria in movimento possa variare, e che quindi possa esserci Convergenza o Divergenza. In caso di Divergenza (quindi un aumento dell'area considerata), si ha un aumento della vorticita' planetaria (che non è una costante in questo caso) e quindi una diminuzione della vorticità relativa, (ossia un moto sempre meno ciclonico, o addirittura anticiclonico). In caso di Convergenza (diminuzione dell'area), si ha una diminuzione della vorticità planetaria e quindi un aumento della vorticità relativa (moto sempre più ciclonico). Questo processo è ad esmpio alla base del meccanismo che ci fa osservare un moto orario delle nubi più alte e sfilacciate in presenza di uragani o forti tempeste tropicali. Come accennato all'inizio, questi meccanismi hanno un'importanza vitale per la vita biologica dell'intero Pianeta. Grazie alla vorticità si genera infatti la turbolenza che è il meccanismo più efficace di trasporto e rimescolamento di sostanze a composizione e temperatura diverse. Per merito della turbolenza ad esempio, il calore si distribuisce uniformemente nei bassi strati atmosferici, dall'Equatore verso il Polo: se non ci fosse, camminando all'aperto in un giorno di sole avremo il terreno bollente sotto i piedi e freddo all'altezza della testa! Sempre per merito della turbolenza si rimescolano i gas atmosferici, i nutrimenti negli oceani, i quantitativi di ossigeno e anidride carbonica da cui dipende la vita vegetale e di conseguenza quella animale.