Tecnologia Vortex – Parte terza

Analizziamo ora alcuni fenomeni fisici che avvengono grazie ai vortici quali il trasferimento di energia e i loro movimenti causati ad es. dalla variazione di salinità o dalla rotazione terrestre.

Partiamo dai vortici che si formano negli oceani (eddies) di grande attualità in questi ultimi anni per via della formazione delle isole di plastica negli oceani. Prima dell’avvento dei satelliti questi vortici erano difficili da studiare perché ci si basava esclusivamente sulle osservazioni fatte dai naviganti. Ora è possibile studiarne la forma, la formazione, l’evoluzione e la dinamica. I vortici che si formano nella superficie degli oceani (gli unici osservabili dai satelliti) hanno una forma pressochè circolare, un diametro variabile fra 20 e 300 km ed una persistenza di qualche mese (a volte anche più di un anno)(1). A seguito delle osservazioni satellitari, dopo gli anni settanta del secolo scorso, studi più approfonditi fatti mediante navi attrezzate hanno dimostrato l’esistenza di vortici anche a centinaia di metri sotto il livello del mare. Un caso interessante è quello dei cosiddetti “meddies” (Mediterranean eddies) che si formano nello stretto di Gibilterra a causa della differenza di salinità fra acqua del mar mediterraneo e acqua oceanica(2). I Meddies sprofondano fino a circa mille metri sotto il livello del mare (cioè dove l’acqua oceanica ha la medesima salinità di quella mediterranea) e, dopo una prima fase di assestamento si appiattiscono assumendo una forma lenticolare avente spessore di circa 400 metri e diametro di circa 200 km. Questi vortici bidimensionali, a causa della rotazione della terra viaggiano per uno o due anni raggiungendo le Bahamas (passando per le Bermuda). Il fatto che permangano per così tanto tempo senza dissolversi riuscendo a percorrere migliaia di km è indice di grande stabilità e soprattutto di bassissima perdita di energia(3).

Nelle cascate quelli che si formano sono vortici tridimensionali(4) e, oltre ad essere molto disordinati, si spostano nelle tre direzioni dello spazio; i vortici bidimensionali sono invece dotati di una struttura coerente e privi di movimento nella terza dimensione. Questa trasformazione dei vortici da tridimensionali a bidimensionali è uno dei tanti esempi che la natura ci regala in cui si assiste ad un fenomeno anti-entropico, con passaggio da un sistema incoerente (tipico dei vortici tridimensionali) ad un sistema coerente (tipico dei vortici bidimensionali): una transizione dal caos all’ordine.      

Nei vortici tridimensionali si assiste ad un processo di formazione di vortici sempre più piccoli fino a micro-vortici in grado di dissipare la loro energia sulle molecole dell’acqua (agitandole termicamente): questo fenomeno è chiamato tecnicamente “cascata di energia”. Al contrario, nei vortici bidimensionali si parte da vortici microscopici e via via si formano vortici coerenti sempre più grandi con trasferimento di energia dalle molecole verso i sistemi macroscopici: questo fenomeno è chiamato “cascata inversa di energia”. Nel caso dei vortici bidimensionali la dissipazione di energia è molto più bassa di quella dei vortici tridimensionali: questa è la ragione che consente ai vortici bidimensionali di resistere per lungo tempo e di riuscire a percorrere grandi distanze prima di dissolversi(5).     

I vortici tipo “meddies” sono detti “monopolari” e, pur avendo un momento cinetico non nullo, hanno quantità di moto nulla e dunque non sono in grado di muoversi spontaneamente. Però capita che due vortici monopolari si incontrino fra loro dando forma a vortici cosiddetti “bipolari”  il cui momento è nullo ma la quantità di moto è invece non nulla e dunque sono in grado di muoversi spontaneamente lungo il loro asse di simmetria. I vortici bipolari sono stati studiati sia in laboratorio(6), sia con simulazioni al computer(7). Il fatto a mio avviso molto interessante è che nella collisione fra due vortici bidimensionali  le forme dei due vortici originari si mescolano mentre invece le masse non si mescolano(8).  

Gli esperimenti di laboratorio e le simulazioni al computer(9) indicano la possibilità di formazione di vortici tripolari, ossia tre vortici affiancati di cui uno centrale affiancato da due vortici più piccoli che ruotano in direzione contraria(10).

Recentemente alcuni ricercatori dello IET(11) hanno approfondito le applicazioni pratiche teorizzate da Viktor Schauberger(12) sui vortici. I vortici possono essere distinti in “liberi” o “forzati”: nel primo caso l’acqua si muove liberamente nella parte esterna del vortice e in modo forzato all’interno, mentre nel secondo l’acqua si muove rigidamente come se fosse un corpo solido. I ricercatori dello IET hanno realizzato in laboratorio uno strumento in grado di simulare un vortice libero ed hanno messo in sospensione nell’acqua caffè di varie granulometrie. Il risultato dell’esperimento mostra un forte aumento della concentrazione nella zona centrale del vortice (75%) ed una corrispondente forte diluizione nella zona periferica del vortice (25%). In particolare la concentrazione delle particelle con densità inferiore a quella dell’acqua ha superato il 95%. I risultati ottenuti fanno pensare ad una modificazione delle caratteristiche dell’acqua da parte dei vortici. Per verificare la veridicità di questa ipotesi è stata valutata la qualità dell’acqua(13) in base all’evaporazione delle gocce(14), all’analisi spettrofotometrica nelle bande del visibile e dell’ultravioletto(15) e al fattore di crescita delle piante.

Il metodo di evaporazione delle gocce ha evidenziato nell’acqua vorticosa la formazione di strutture dentritiche più complesse rispetto a quella non vorticosa.

Le analisi dei campioni d’acqua sottoposta a vortice e successivamente analizzate con spettrofotometro UV-VIS evidenziano un assorbimento anomalo a lunghezze d’onda attorno ai 270 nm (come vedremo in un articolo successivo sulla “Exlusion Zone” questa anomalia si verifica anche per l’acqua EZ).

Infine è stato valutato l’effetto dei vortici sulla crescita di un campione di semi di trifoglio; le prove hanno mostrato un fattore di crescita (quantitativo di biomassa secca prodotta) maggiore di oltre l’11% dell’acqua sottoposta a vortice rispetto a quella non sottoposta. Inoltre le piante innaffiate con acqua sottoposta a vortice sono risultate più resistenti di quelle trattate con acqua normale di rubinetto.

Torino (Italia), 01 dicembre 2019

Gianfranco Pellegrini

Note

(1) Per maggiori dettagli vedi “La danse des tourbillons” – La recherche, febbraio 1990, n. 218, pag. 224-227 o anche P.Consigli – L’acqua pura e semplice, Tecniche Nuove – 2005

(2) S.E. Mc Dowell e H.T. Rossby – Science, 202, 1085 – 1978.

(3) Per approfondimenti si veda G.J. Van Heijst e J. B. Flor – Nature, 340, 212 – 1989.

(4) In realtà anche i “meddies”, nella prima fase di formazione, cioè nella “cascata sottomarina” iniziale verso il raggiungimento dello stesso livello di salinità, sono di tipo tridimensionale.   

(5) Rif. J.C. Mc Williams – J. Fluid mechanics, 146, 21 – 1984 e B. Legras e altri – Europhys / Lett. 5, 37 – 1988.

(6) Ad es. gli esperimenti realizzati a partire dal 1988 presso l’Istituto di meteorologia e di oceanografia dell’università di Utrecht (Olanda).

(7) Rif. J. C. Mc Williams e N. J. Zabusky – Geophisics, Astrophisics, Fluid dynamics, 19, 207 – 1982.     

(8) Studi di laboratorio hanno mostrato che le acque dei due vortici non si mischiano pur compenetrandosi fra loro. Facendo collidere frontalmente due vortici ciascuno additivato di un colorante differente, si nota la formazione di un vortice avente due distinti centri di rotazione animati da moto rotatorio inverso. Un fatto interessante è che il vortice bipolare che si forma ha la stessa forma e simmetria dei due vortici singoli al momento del contatto fra loro; ma il fatto ancor più interessante è che i filetti fluidi dei due vortici originari non si mischiano mai pur compenetrandosi fra loro nel senso che metà dei filetti del primo vortice si intrecciano elicoidalmente senza mescolarsi a metà dei filetti del secondo vortice a formare il primo polo elicoidale e le altre due metà fanno lo stesso a formare il secondo polo elicoidale.

(9) I vortici tripolari sono stati ipotizzati teoricamente a seguito di simulazioni al computer (rif. G. J. Van Heijst e R.C. Kloosterziel, Nature, 338, 569 – 1989). Quasi contemporaneamente sono stati realizzati in laboratorio dai ricercatori dell’università di Utrecht (vedi nota 6 precedente).

(10) Nel 1993 P. Richardson (Woods Hole Oceanographic Institute of Massachusetts) ha censito circa un migliaio di vortici oceanici tutti aventi diametro di circa 80 km e ha riscontrato che, pur mantenendo la loro individualità, a volte si uniscono in vortici dipolari e, più raramente in vortici tripolari.  

(11) IET (Institute of Ecological Technology) di Malmo (Svezia).

(12) Famoso naturalista e inventore austriaco (1885 – 1958); vedi precedente articolo “Tecnologia Vortex – parte prima”.

(13) Nella moderna concezione della qualità dell’acqua, oltre alle classiche condizioni chimico-fisico-organolettiche, si è aggiunta l’analisi cosiddetta “energetica” consistente nella verifica delle condizioni di vitalità e della struttura intramolecolare. Sulle qualità energetiche dell’acqua ci soffermeremo diffusamente in prossimi articoli dedicati a questo argomento specifico; in questa sede si anticipa solo che i parametri più analizzati sono la tensione superficiale, la dimensione delle gocce, il contenuto energetico, la struttura intermolecolare, l’assorbimento della luce, l’attività dei biofotoni e le forze di compressione.

(14) Uno dei metodi per valutare complessivamente la qualità dell’acqua è quello basato sull’evaporazione delle gocce dove si analizza il “pattern” del soluto a seguito dell’evaporazione dell’acqua. Rif. H: Hu e R.G: Larson – Marangoni effect reverses coffee-ring deposition, J. Phys. Chem., 2006; B 110, 7090-7094 e J. Zhang, S.K. Kim, X. Sun e H. Lee – Ramified fractal-patterns formed by droplet evaporation of a solution containing single-walled carbon nanotubes. Colloid. Surface 2007 – A 292, 148-152.     

(15) Un altro metodo per valutare complessivamente la qualità dell’acqua è quello basato sulla spettroscopia vibrazionale (soprattutto NIR e Raman) che consente di valutare i cambiamenti dei legami intermolecolari a seguito di assoggettamento a radiazioni UV-visibile. Rif. www.aquaphotomics.com . Vedi anche Roumiana Tsenkova (Kobe Univeristy of Shindai – Faculty of agriculture) – Terzo simposio di Aquaphotomics – Explorating Water Molecular System in Nature – 2 – 6 dicembre 2018 – Awaji (Japan).

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