La collaborazione scientifica

Cosa c’entra un neutrino, una delle particelle piu’ sfuggenti conosciute, con un capodoglio, uno dei mammiferi piu’ grossi del pianeta? Assolutamente niente direte voi, e invece sbagliate.

Senza giocare agli indovinelli, vi vorrei raccontare di una ricerca, a mio avviso molto importante, nata con uno scopo e che in corso d’opera ne ha trovato uno ulteriore altrettanto interessante.

Come sapete, lo studio dei neutrini cosmici e’ molto importante perche’ attraverso la misura del numero di queste particelle, e’ possibile individuare e studiare sorgenti astronomiche come stelle di neutroni, buchi neri, pulsar, ecc. Il problema di queste particelle e’ che, come si dice in fisica, hanno una “sezione d’urto” molto piccola, cioe’ hanno una probabilita’ di interagire con la materia estremamente bassa. Per poter osservare i neutrini e’ prima di tutto necessario eliminare le altre tantissime particelle che arrivano dal cosmo e che rendono la loro osservazione impossibile dal momento che questi segnali sarebbero completamente sommersi in mezzo a tanti altri. A questo punto, per contare i neutrini si devono sfruttare le reazioni poco probabili che queste particelle hanno con alcuni mezzi. Una delle tecniche maggiormente utilizzate e’ quella del rivelatore Cherenkov ad acqua. Passando attraverso questo liquido, i neutrini possono interagire producendo radiazione Cherenkov, cioe’ una piccolissima scia luminosa indicante appunto il loro passaggio. Vista la bassa probabilita’ di avere questi aventi, e’ necessario avere dei volumi di acqua molto grandi e, ovviamente, dei sensori in grado di captare l’eventuale luce.

Detto questo, molti osservatori per neutrini sono stati realizzati posizionando rivelatori sul fondo dei mari. Questa soluzione offre un ottimo schermo alle altre particelle e soprattutto un notevole volume di liquido gratuito e sempre disponibile.

Uno degli ultimi esperimenti in corso di realizzazione e’ chiamato Km3net dell’Istituto nazionale di fisica nucleare a cui collaborano molti ricercatori italiani e stranieri. Questo esperimento prevede il posizionamento di alcune torri sottomarine nel mediterraneo, su cio posizionare sfere di fotomoltiplicatori, cioe’ dispositivi in grado di traformare le tracce luminose lasciate dai neutrini in segnali elettrici leggibili.

Una delle sfere di Km3net con i fotomoltiplicatori

Una delle stazioni di Km3net e’ stata posizionata in Sicilia, 80 Km a largo di Capo Passero. I fotomoltiplicatori sono stati posizionati su una torre di circa 400 metri, ancorata al fondo del mare che in quel punto ha una profondita’ di circa 2000 metri.

Sfruttando la particolare posizione della torre, in collaborazione con biologi marini di varie universita’, si e’ ben pensato di installare sulla struttura anche misuratori acustici. Questa soluzione e’ stata adottata perche’ consente di monitorare il passaggio di capodogli ma soprattutto consente di mappare l’inquinamento acustico sottomarino.

Perche’ si parla di inquinamento acustico sottomarino?

Come potete facilmente immaginare, il passaggio di navi nei mari, provoca rumori in profondita’. Proprio questi rumori possono disturbare i mammiferi acquatici che si trasmettono segnali acustici sottomarini. Secondo alcune teorie, questi disturbi possono notevolmente ridurre la distanza di comunicazione tra capodogli ma, soprattutto, potrebbero essere responsabili degli spiggiamenti che ogni tanto si verificano sulle coste.

Gia’ ai tempi del primo prototipo di Km3net in Sicilia nel 2005, lo strumento era riuscito ad ascoltare il passaggio di questi stupendi mammiferi. Ora, con il rivelatore finale, piu’ grande e performante, oltre ad individuare il loro passaggio, i sensori sono in grado di determinare anche la grandezza dei mammiferi. Questa soluzione e’ fondamentale per fare un censimento della popolazione di capodogli nei nostri mari.

Da quando e’ stato installato, questo rivelatore non solo e’ riuscito ad osservare il passaggio di diversi animali, ma soprattutto si e’ scoperto che la popolazione e’ maggiore di quanto ci si aspettasse e che i capodogli si trovano anche in zone che prima si pensavano poco battute da questi animali.

Come potete vedere, si tratta di uno splendido esempio di ricerche congiunte, in cui con una sola spesa si riesce a mettere insieme diversi campi di studio, con analisi diverse ma tutte molto importanti. Sicuramente, dal punto di vista biologico, i rivelatori installati consentiranno di avere una stima molto precisa del numero di cetacei presenti nei nostri mari, della loro grandezza ma, soprattutto, consentiranno di studiare con precisione l’effetto che l’inquinamento acustico sottomarino puo’ avere su questi animali. A questo punto non resta altro da fare che aspettare di raccogliere tanti dati per avere una buona statistica sia di capodogli che di neutrini.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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E rispunta anche il Big Foot!

Tra pianeti misteriosi, creature magiche, alieni e fatti assurdi, non possiamo certo farci scappare la notizia apparsa sui giornali in questi giorni. Finalmente, dopo anni di smentite, e’ stata finalmente trovata la prova vera dell’esistenza del Big Foot!

Incredibile, direte voi.

Di cosa si tratta?

Come e’ noto, il Big Foot, sarebbe una misteriosa creatura, una via di mezzo tra un essere umano e uno scimmione, che abiterebbe le foreste del centro America. Secondo molti, si tratterebbe di un parente molto stretto dello Yeti, anche detto “incredibile Uomo delle Nevi”. In basa a questa connessione, le due specie proverrebbero dallo stesso ceppo iniziale, ma avrebbero seguito strade evolutive differenti adattandosi ad ambienti completamente diversi.

Quale sarebbe questa prova?

Facile, ve la mostro immediatamente:

La presunta testa di Big Foot rinvenuta in Utah

Come vedete, si trattarebbe di una testa fossilizzata di Big Foot. Il curioso reperto e’ stato rinvenuto da un cacciatore in una foresta dello Utah.

Come e’ possibile essere certi della sua provenienza?

La risposta e’ molto semplice, il cacciatore diverse volte ha incontrato Big Foot vivi in prossimita’ di una fonte termale nella foresta. Come viene riportato dal giornale locale che per primo ha pubblicato la notizia, gli avvistamenti di queste creature nello stato americano, sarebbero quasi all’ordine del giorno. Diversi esemplari di questo animale vivrebbero in prossimita’ proprio della fonte termale e sarebbero stati osservati da diversi abitanti del luogo che hanno riportato la loro storia.

Quali sono le prove a sostegno?

Ovviamente, di prove a sostegno neanche l’ombra. Il cacciatore pero’, si dice disponibile a far analizzare il suo prezioso reperto dalla scienza. Attenzione pero’, il proprietario della testa fossile esclude di lasciare il fossile in mano a qualsivoglia laboratorio di ricerca. Solo scienziati indipendenti possono analizzare il reperto, senza mai fargli lasciare l’abitazione del cacciatore. Perche’ questo comportamento? Semplice, il proprietario e’ spaventato dall’idea che qualcuno potrebbe sottrargli il fossile e farlo sparire dalla circolazione.

Al solito, noi saremo anche maligni, ma queste precauzioni un pochino stonano. Come spesso avviene, e’ sempre piu’ facile convincersi di qualcosa perche’ vogliamo che sia cosi’, piuttosto che chiedere la certezza e rimanere delusi.

Perche’ dico questo?

Le foto del reperto sono gia’ state analizzate a vista da medici e ricercatori della locale universita’. Risultato? I ricercatori concordano sul fatto che il reperto altro non e’ che una roccia modellata, probabilmente da eventi naturali, in questa strana forma.

Il perche’ di queste affermazioni e’ facilmente comprensibile. In primis, come visto nella foto, sono completamente assenti dei particolari come le orbite oculari, i denti e le narici. A detta degli esperti, il reperto assomiglierebbe piu’ ad una faccia che ad un teschio fossile. Quando un cranio va in decomposizione, le prime cose che sparisono sono le guance, il naso, gli occhi. Insomma, tutte quelle parti molli ricche di acqua. A riprova, in un qualsiasi teschio in decomposizione, anche con le palpebre chiuse, si vedono le cavita’ oculari svuotate. Cosa non visibile nella foto del reperto.

Detto questo, come anticipato, si tratta quasi con assoluta certezza di una roccia levigata. Ovviamente, non stiamo assolutamente dubitando della buona fede del cacciatore. Il reperto potrebbe essere una roccia levigata da fenomeni naturali, non un reperto lavorato ad hoc per assumere queste sembianze.

Pensate sia assurdo?

Di esempi di questo tipo, ne esistono a bizzeffe. In particolare, in questi articoli:

– La Madonna appare sugli alberi?

– Messaggio alieno nelle aurore?

abbiamo visto moltissimi esempi, non solo di  rocce, in cui fenomeni naturali finivano per assumere le sembianze di oggetti o persone note. In questo caso, ruolo fondamentale a queste “evidenze” viene proprio dal nostro cervello. Come detto anche in altri articoli:

– Quello che i nostri occhi vedono

I nostri occhi vedono quello che noi vogliamo fargli vedere. Non pensate certo che il vento, giusto per fare un esempio, possa modellare le rocce per formare un soggetto particolare. Siamo noi a voler vedere riprodotto quello che pensiamo. In particolare poi, basta che qualcuno veda un qualcosa riprodotto, perche’ tutti gli altri vedano la stessa cosa.

Ad oggi, come anticipato, non vi e’ nessuna prova dichiarata reale che dimostrerebbe l’esistenza del Big Foot, cosi’ come dello Yeti. L’esistenza di queste creature, suscita comunque sempre un certo interesse, al punto da essere considerato uno dei misteri piu’ attraenti per i lettori di internet.

Concludendo, il reperto ritrovato nello Utah non e’ assolutamente una testa fossile di Big Foot, bensi’ solo una roccia modellata da fenomeni naturali. Ad oggi, non esiste nessuna prova dell’esistenza di queste misteriose creature.

 

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Le previsioni del tempo

Molto spesso mi viene chiesto come sono fatte le previsioni del tempo. In questi ultimi giorni poi, l’argomento e’ molto di moda anche grazie ai continui annunci di copiose nevicate, ad esempio su Roma, che pero’ ancora non si sono viste.

Cerchiamo di fare un po’ di ordine ma soprattutto di capire quale e quanto lavoro c’e’ dietro quelle previsioni fatte a 1, 2, 3 giorni o, a volte, anche a mesi di distanza.

Al giorno d’oggi, le previsioni del tempo si basano su equazioni numeriche in grado di descrivere i complessi movimenti delle masse d’aria nel mondo, ma soprattutto nell’evoluzione temporale di questi parametri. In soldoni, la fisica vi descrive il movimento di queste masse d’aria e, misurando i parametri in questo momento, viene costruita una simulazione che cerca di fornire la situazione che si avra’ a distanza di tempo.

Fate subito attenzione ad una cosa. Come detto, vengono presi i parametri atmosferci ad un certo istante e da questi viene costruita la modellizzazione nel tempo del meteo. Capite subito che tanto piu’ vicina sara’ la previsione richiesta, tanto piu’ affidabile sara’ il risultato fornito.

Per capire questo fondamentale limite, vi faccio un esempio molto facile. Immaginate di vedere una persona che cammina per strada e di voler simulare come cambiera’ nel tempo la sua posizione. L’istante iniziale e’ quello in cui osservate la persona. Ora, immaginando di vedere la persona che sta camminando con una certa velocita’ in una direzione potete dire, senza continuare a guardarla, che dopo 10 secondi sara’ arrivata in quest’altra posizione, dopo 20 secondi in quest’altra, e cosi’ via. Dove sara’ la persona dopo 3 ore? Assolutamente non siete in grado di dare questa risposta perche’ il vostro modello, basato solo sull’osservazione della direzione della persona ad un certo istante, non riesce a rispondere a questa domanda (la persona potrebbe essersi fermata, essere arrivata ad un bivio, potrebbe essere tornata indietro, ecc).

Le previsioni del tempo funzionano piu’ o meno in questo modo. I modelli ovviamente sono molto complessi dal momento che devono descrivere il movimento nel tempo delle enormi masse d’aria circolanti sul nostro pianeta.

La raccolta dei dati per le previsioni atmosferiche viene fatta utilizzando stazioni a terra, palloni sonda e satelliti metereologici. Le informazioni raccolte vengono poi inviate ed analizzate mediante potenti supercomputer in grado non di risolvere le equazioni del modello, ma di dare la risposta piu’ probabile, cioe’ la situazione del tempo ad una certa data.

A questo punto la domanda e’: quali sono i parametri che vengono misurati e perche’ le previsioni a volte sbagliano?

Mentre la prima risposta e’ abbastanza semplice ed intuibile per tutti, la seconda e’ una domanda un po’ piu’ complessa e che merita qualche considerazione aggiuntiva.

Riguardo ai parametri, come potete facilmente immaginare, si tratta di osservare le nuvole, la quantita’ di precipitazioni nel mondo, i gradienti di temperatura e pressione lungo l’atmosfera, i venti ma soprattutto di modellizzare i fenomeni meteorologici dal punto di vista fisico. Se due masse d’aria di temperatura diversa si scontrano, con quale probabilita’ si formeranno nuvole cariche di pioggia? Come vedete, in questo senso, il comportamento in atmosfera, e dunque la fisica, deve essere coniugato con i parametri osservati sul campo.

Partiamo dunque proprio dalla misure sul campo per capire l’affidabilita’ delle previsioni.

Prima di tutto, le osservazioni si basano su una griglia di misura che non copre in maniera adeguata tutta la superficie terrestre. Mentre i satelliti possono osservare praticamente tutto il mondo, le sonde in atmosfera, che forniscono i parametri ambientali, lasciano ampie aree scoperte. Con questo si intende che alcune zone della Terra non sono affatto sfiorate dalle misure. Dovendo trattare un sistema complesso come l’atmosfera, avere delle aree scoperte rappresenta sicuramente un limite. Inolre, l’atmosfera cambia i suoi parametri molto rapidamente, mentre per le previsioni i dati vengono letti ad intervalli regolari e, quindi, non con continuita’.

Sempre sulla stessa scia della griglia dei parametri, ad oggi ancora non e’ del tutto chiaro come la temperatura superficiale delle acque, cioe’ degli oceani, possa influire sul meteo. Come e’ facile immaginare, negli oceani possono essere presenti correnti a temperatura diversa ma e’ impensabile misurare in ogni punto dell’oceano la temperatura superficiale. A riprova di questo, basti pensare, ad esempio, al fenomeno del Nino o della Nina.

Ad oggi, l’affidabilita’ di una previsione a 24 ore e’ circa del 90%, mentre diviene dell’80% a distanza di 3 giorni. Questa stima scende rapidamente al 50% calcolando invece le previsioni ad una settimana. Praticamente, e’ come lanciare una monetina. Visti questi numeri, capite immediatamente come sia assurdo dare previsioni a 2 settimane, oppure sentir parlare ora di come sara’ il tempo quest’estate. Previsioni di questo tipo sono per scopi puramente commerciali e niente hanno a che vedere con la scienza.

Molto spesso, mi viene fatto l’esempio delle previsioni in formula 1. In un gran premio, se dicono che dopo 5 minuti iniziera’ a piovere, potete essere sicuri che accadra’. Perche’? Prima di tutto, si tratta di previsioni a brevissima scadenza, massimo a 30 minuti. Inoltre, si tratta di previsioni fatte in una zona ben precisa e circoscritta che riguarda l’area del circuito. In questo senso, l’attendibilita’ delle previsioni date arriva quasi a sfiorare il 100%.

A questo punto pero’ vorrei spezzare una lancia in favore della meteorologia per farvi capire le difficolta’ reali nell’elaborazione dei dati.

Credo che quasi tutti conoscano il cosiddetto “Effetto Farfalla”: Il battito di ali di una farfalla in Europa puo’ provocare un uragano negli Stati Uniti. Spesso viene raccontato utilizzando luoghi diversi, ma il senso e’ sempre lo stesso: basta un avvenimento minimo per cambiare irreparabilmente il futuro di qualcosa.

Da dove nasce l’effetto farfalla? Forse non tutti sanno che venne formulato proprio parlando di meteorologia.

Il supercomputer ENIAC del 1947

Il primo che provo’ a calcolare previsioni meteo in maniera scientifica fu John Von Neumann utilizzando il piu’ potente Super Computer disponibile nel 1950, l’ENIAC. Si tratto’ del quarto computer realizzato nella storia ed in grado di fare calcoli che farebbero ridere un’odierna calcolatrice tascabile. Pensate che durante la cerimonia di inaugurazione, l’ENIAC lascio’ tutti a bocca aperta perche’ calcolo’ in un secondo il risultato di 97367 elevato alla 5000 causando un blackout in una vasta zona di Filadelfia. L’utilizzo principale di questo computer era per il calcolo balistico nel lancio dei missili, ma venne poi utilizzato anche per altri scopi, tra cui per le previsioni del tempo da Von Neumann.

Per darvi un’idea, dati i valori in ingresso, l’ENIAC era in grado di fornire in 24 ore, la previsione per le prossime 24 ore. Capite dunque l’inutilita’ di queste previsioni, arrivato il risultato bastava aprire la finestra per verificarlo, ma servi’ per spianare la strada ai moderni calcoli.

Cosa c’entrano l’ENIAC, Von Naumann e l’effetto farfalla con l’affidabilita’ delle previsioni del tempo?

Dalle previsioni di Von Neumann con l’ENIAC si evidenzio’ come modificando i parametri in ingresso di una quantita’ piccola a piacere, il risultato a distanza di 24 ore, poteva essere radicalmente diverso. Questo risultato venne poi ripreso da Lorenz che fu il primo a formulare l’effetto farfalla cosi’ come lo conosciamo oggi.

Analizzando questi risultati, capite bene quali siano le difficolta’ delle previsioni del tempo. Abbiamo a disposizione dati spesso incompleti, i parametri atmosferici possono cambiare repentinamente modificando completamente la situazione, una minima variazione dei parametri atmosferici puo’ cambiare radicalmente il risultato della previsione anche a breve termine.

Concludendo, la meterologia e’ una scienza molto complessa e non facilmente parametrizzabile mediante funzioni matematiche. Questo limite delle simulazioni e’ esattamente lo stesso di cui abbiamo parlato analizzando il calcolo della rotta di un asteroide. Anche in questo caso, una minima variazione delle condizioni al contorno del nostro problema possono modificare completamente il risultato. Proprio per questo motivo, in astrofisica cosi’ come in meteorologia e’ importante misurare in continuazione i dati ambientali.

Detto questo, se le previsioni a 2 settimane risultano sbagliate, la colpa e’ anche nostra che pretendiamo di avere qualcosa di non calcolabile. Se le previsioni ad un giorno sono sbagliate, pensate che forse c’e’ stata qualche farfalla di troppo.

 

 

 

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