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Semplice e Complesso

260 — Thu, 20 May 2004 00:00:00 GMT

La mostra INFM dedicata a caos e complessita inserita nell’ambito dell’iniziativa “Due settimane per la scienza”, promossa dalla Presidenza della Repubblica

Fino al 22 Maggio 2004 nella tenuta presidenziale di Castelporziano, alle porte di Roma, e’ allestita la mostra scientifica interattiva “Semplice e Complesso”, progettata e realizzata dall’INFM - Istituto Nazionale per la Fisica della Materia e dedicata ai concetti di caos, complessità e disordine.

La mostra e’ inserita nell’iniziativa “Progetto giovani - Due settimane per la scienza”, promossa dal Segretariato Generale della Presidenza della Repubblica in collaborazione con il Dipartimento Istruzione del MIUR con l’obiettivo di stimolare nei giovani l’interesse verso le discipline scientifiche attraverso mostre e spazi didattici dedicati a vari argomenti, dalla fisica alla chimica, alla biologia, ala botanica, alla zoologia, all’ecologia.

“Semplice e Complesso”, presentata con successo anche al Festival della Scienza di Genova, utilizza materiali comuni come sabbia, riso, caffè, schiuma di sapone e aiuta a capire come argomenti “di frontiera” nella ricerca scientifica quali complessità, disordine e caos siano presenti nel nostro mondo quotidiano. Sorprendentemente, infatti, sistemi molto differenti tra di loro quali un computer o i mercati finanziari, un insieme di individui o le parti del nostro corpo hanno comportamenti generali che seguono le stesse leggi.

L’iniziativa “Progetto giovani - Due settimane per la scienza” e’ rivolta agli studenti degli ultimi due anni delle scuole superiori, che possono effettuare le visite unicamente su prenotazione.

Per ulteriori informazioni:

Ufficio Stampa INFM, Francesca Gorini- gorini@infm.it

I segreti dell’acqua

260 — Fri, 16 Apr 2004 00:00:00 GMT

Semplice come l’acqua. Affermazione ovvia per poeti e letterati, sicuramente per il senso comune, ma in grado di suscitare dubbi e perplessità agli occhi degli scienziati.
L’acqua nelle sue diverse forme rappresenta una sostanza tra le più comuni presenti in natura. Le sue proprietà chimiche e fisiche sono in realtà molto particolari e in buona parte differiscono da quelle di tutti gli altri liquidi. Proprio queste sue proprietà eccezionali hanno consentito lo sviluppo della vita sulla terra.
Formata da molecole composte da 2 atomi di idrogeno (H) e 1 atomo di ossigeno (O), l’acqua è l’unica sostanza in natura, che a temperatura ambiente, possa manifestarsi in tutti e tre gli stati di aggregazione: solido, liquido e gassoso. Allo stato solido è presente, infatti, sotto forma di ghiaccio, nella neve, nella grandine o nelle nubi; allo stato liquido si trova nella pioggia, ma soprattutto ricopre gran parte della superficie terrestre formando oceani, mari, laghi e fiumi; allo stato gassoso, infine, forma le nebbie oltre al vapore, principale costituente delle nuvole.
Una delle caratteristiche più insolite dell’acqua è di aumentare il volume nel passaggio dallo stato liquido a quello solido. La materia è formata al suo interno da particelle, atomi e molecole, separate tra loro da distanze ben stabilite. Queste distanze, generalmente, si riducono, quando la materia è nello stato solido e per questo motivo quando un liquido solidifica il suo volume diminuisce, ma questa regola rimane disattesa nel caso dell’acqua. Quando l’acqua viene portata ad una temperatura di zero gradi e si trasforma in ghiaccio, il suo volume aumenta, mentre la sua densità raggiunge il suo valore massimo a 4°C. Ciò significa che a questa temperatura l’acqua occupa il minimo spazio.
In termini partici questa situazione si traduce nella proprietà del ghiaccio di galleggiare sull’acqua come se fosse legno o sughero.
In determinate condizioni però, ad esempio nel caso in cui l’acqua sia purissima, depurata quindi da qualsiasi contaminante, può permanere in uno stato liquido anche a temperature inferiori allo zero, in una condizione che i fisici chiamano “sotto raffreddata”. Se si spinge ancora il processo di raffreddamento è possibile ottenere infine un “solido amorfo”, un materiale cioè molto simile al vetro, un vero e propriovetro d’acqua.
Proprio in questi giorni la rivista Nature ha pubblicato un importante studio realizzato presso i laboratori del LENS di Firenze riguardante, le proprietà che caratterizzano l’acqua in queste particolarissime condizioni. Nel Laboratorio Europeo di Spettroscopie non Lineari, sono stati utilizzati degli impulsi luminosi di durata brevissima, per misurare sperimentalmente le dinamiche che caratterizzano il comportamento dell’acqua quando questa viene portata a temperature inferiori ai –20 °C. Lo studio italiano, realizzato da Renato Torre, Paolo Bartolini e Roberto Righini, ha permesso per la prima volta di guardare da vicino la struttura che possiede questo liquido. Si è scoperto così che la “semplice acqua” è in realtà un sistema molto complesso, caratterizzato da comportamenti che possono variare in funzione della scala temporale presa in esame. Per realizzare queste ricerche sono stati utilizzati perciò degli impulsi laser brevissimi, di durata pari a qualche decina di femto secondo, un unità che misurata con il nostro orologio equivale a un milionesimo di miliardesimo di secondo. In questo modo è stato possibile “fotografare istante per istante” l’evoluzione della struttura dell’acqua, applicando una tecnica chiamata dagli esperti Optical Kerr Effect (OKE). Questa tecnica, oltre ad offrire un’eccezionale risoluzione temporale, risulta estremamente sensibile ai legami intermolecolari presenti nell’acqua e può quindi misurare le variazioni dinamiche che avvengono in questo sistema quando si modificano le condizioni esterne.
Lo studio, in particolare, ha permesso di rilevare come all’interno del liquido siano presenti una molteplicità di strutture, che interagiscono tra loro in maniera diversa al variare della temperatura. Un andamento che subisce una brusca variazione quando la temperatura approssima i –43 °C, che rappresenta così una vera e propria temperatura critica per l’acqua sotto raffreddata.
Risultati che potranno essere particolarmente utili nello studio della formazione delle nuvole, dei sistemi biologici conservati a basse temperature, o per la ricerca della presenza di acqua nei pianeti e sulle comete e più in generale nello spazio interstellare

I gas serra fanno ritirare l’atmosfera

260 — Tue, 13 Apr 2004 00:00:00 GMT

Gli strati più alti dell’atmosfera terrestre nel corso degli ultimi decenni si sono progressivamente raffreddati e contratti, a causa del continuo aumento nella concentrazione di gas serra. In un articolo pubblicato sulla rivista scientifica Journal of Geophysical Research-Space Physics, John Emmert, Michale Picone, Judith Lean e Stephen Knowles hanno riportato dati che dimostrano come la densità media della termosfera si è ridotta di circa il dieci per cento negli ultimi35 anni.
La termosfera è la fascia più alta dell’atmosfera, e si estende da circa 90 km dal suolo fino a 600 chilometri di altezza. A quelle quote la temperatura tende a salire con l’altezza a causa del maggiore flusso di energia solare, e può raggiungere e superare i 1000 gradi, da qui il nome dello strato.
Nel loro studio i ricercatori del Naval Research Laboratori (NRL), hanno preso in esame i dati relativi alle orbite seguite da ben 27 diversi oggetti che negli ultimi trent’anni seguono il percorso seguito dalla Terra. I satelliti orbitano all’interno di una fascia compresa tra i 200 e gli 800 chilometri dal suolo, la Stazione Spaziale Internazionale è stata collocata ad esempio ad una quota di 400 chilometri, mentre le missioni degli Shuttle tipicamente prevedono un’orbita ad un’altezza compresa tra i 300 e i 450 chilometri.
Sebbene a quelle altezze l’atmosfera sia estremamente rarefatta, l’aria che respiriamo è mille miliardi di volte più densa, riesce comunque ad esercitare un’azione di frenamento sul moto dei satelliti. Quest’effetto produce una progressiva perdita di quota degli oggetti orbitanti, fino a che i satelliti giungono a contatto con gli strati più densi dove vengono disintegrati dall’azione dell’atmosfera. Analizzando le variazioni che si sono prodotte nel corso degli anni nelle altezze orbitali dei satelliti, gli scienziati sono riusciti così a stabilire la densità atmosferica incontrata da ciascun oggetto.
La riduzione nella densità della termosfera è una variazione prevista dalle simulazioni teoriche come conseguenza dell’aumento nella concentrazione di anidride carbonica e degli altri gas serra nell’atmosfera. Infatti mentre nelle troposfera, la regione atmosferica a contatto con la superficie terrestre, i gas serra intrappolano la radiazione infrarossa provocando un incremento nelle temperature medie del pianeta, più in lato, ad un altezza superiore ai 12 chilometri, questi stessi gas aumentano il flusso di radiazione scambiato verso l’esterno, provocando così un progressivo raffreddamento delle fasce più alte. L’aumento nella concentrazione di anidride carbonica produce così un progressivo raffreddamento della parte più alta dell’atmosfera e quindi una continua contrazione verso il basso. Questo significa che la densità atmosferica incontrata dai satelliti tende progressivamente a diminuire e quindi le loro orbite a rimanere più stabili. Un processo che secondo gli scienziati dovrebbe portare entro il 2100 al dimezzamento della densità della termosfera, con benefici innegabili per l’operatività dei satelliti, ma con ripercussioni ancora imprevedibili per la salute del nostro pianeta.

Moderni alchimisti creano nuovi elementi

260 — Tue, 13 Apr 2004 00:00:00 GMT

Utilizzando le più avanzate tecnologie della fisica delle alte energie, un gruppo di ricercatori americani e russi è riuscito a produrre artificialmente due nuovi elementi chimici. Nel corso di una serie di esperimenti realizzati al ciclotrone del Joint Institute for Nuclear Research (JINR) di Dubna, in Russia, sono state trovate delle “impronte” che sembrano individuare l’esistenza di due nuovi atomi, con numero atomico 115 e 113 rispettivamente. Una scoperta, che se confermata, porta a 116 il numero degli elementi oggi conosciuti.
In natura, l’elemento più pesante è l’uranio. Il suo numero atomico è 92 e questo valore sta ad indicare che all’interno del suo nucleo si trovano 92 protoni. Superato questo valore limite, gli atomi divengono instabili e decadono spontaneamente con un processo radioattivo che produce nuclei più piccoli. La forza “forte”, la forza che si manifesta solo all’interno dei nuclei atomici permettendo di mantenere uniti protoni e neutroni vincendo la repulsione elettrostatica, diminuisce in pratica la sua efficacia, quando le dimensioni del nucleo crescono oltre un certo valore.
Gli elementi con numero atomico maggiore di 92, sono indicati dai fisici con la definizione generica di elementi pesanti, il primo membro di questa famiglia è il Nettunio (Np), che ha numero atomico 93, e tutti sono stati prodotti artificialmente dall’uomo. Come ulteriore suddivisione all’interno di questa grande famiglia, sono indicati quali elementi super pesanti quelli con numero atomico maggiore di 112, nuclei che possono essere osservati solo grazie alle grandi macchine realizzate dai fisici negli ultimi decenni, i ciclotroni, acceleratori a forma di anello, che permettono di trasferire una straordinaria quantità di energia ai nuclei primi di farli collidere su un bersaglio finale.
Secondo le previsioni teoriche degli scienziati, nella famiglia degli elementi super pesanti, esistono delle “isole di stabilità”; nuclei che appartengono a queste regioni sono caratterizzati da un tempo di vita alcuni ordini di volte maggiore rispetto a quello degli altri atomi super pesanti. Questo significa che se il tempo di decadimento degli elementi super pesanti si misura normalmente in milionesimi o miliardesimi di secondo, nel caso di nuclei dotati di una particolare configurazione interna, è possibile osservare tempi di vita compresi tra il secondo fino a qualche minuto. La prima prova sperimentale dell’esistenza delle “island of stability”, risale al 1998, con la scoperta dell’elemento 114. La creazione di questi nuclei e l’osservazione del loro decadimento, costituiscono uno strumento importantissimo per verificare le teorie che spiegano come si formano gli atomi. D’altro canto una conoscenza più approfondita dei processi che regolano la fissione nucleare può permettere da un lato la realizzazione di reattori nucleari più efficienti e sicuri, dall’altro di gestire meglio il difficile problema delle scorie radioattive.
L’esperimento realizzato dal team russo-americano è iniziato nel luglio dello scorso anno ed è durato un mese. Durante queste periodo di osservazioni, gli scienziati hanno fatto collidere un fascio di atomi di calcio ad alta energia su un bersaglio composto da atomi di americio, un metallo radioattivo che si utilizza anche nei rivelatori di fumo.
Nel corso degli esperimenti sono stati prodotti quattro atomi dell’elemento 115, sopravvissuti per 90 millesimi di secondo, prima di decadere formando un nuovo elemento, il 113. Quest’ultimo atomo si è rilevato più stabile, avendo un tempo di vita superiore al secondo. Il nome provvisorio assegnato a questi elementi è ununtrium (113) e ununpentium (115), questo perché gli scienziati prima di attribuire un vero nome proprio, dovranno verificare l’attendibilità dei risultati pubblicati nel numero di febbraio di Physical Review.
E’ ancora vivo infatti il ricordo di quanto avvenuto nel 1999, quando 15 ricercatori firmarono un articolo in cui si comunicava che utilizzando il ciclotrone del Berkeley lab, era stato prodotto l’elemento più pesante in natura: l’elemento 118, contenete 118 protoni e 175 neutroni. Un risultato successivamente smentito e che, come rivelò una commissione d’inchiesta, fu il prodotto di un’abile falsificazione dei dati sperimentali dal team di ricerca.

Creata in laboratorio una nuova forma della materia

260 — Tue, 13 Apr 2004 00:00:00 GMT

Una nuova forma della materia è stata creata in laboratorio da un gruppo di fisici dell’Università del Colorado. Gli esperti lo definiscono un “condensato fermionico”; in pratica un gas estremamente rarefatto, freddissimo. La nuova sostanza è un particolare stato condensato di Bose-Einstein (BEC), una forma particolarissima della materia, dove gli atomi perdono la loro identità divenendo un unico assieme coordinato, una specie di “super atomo”.
L’esistenza di questa singolare forma della materia, fu prevista per la prima volta nel 1924 dal fisico indiano Satyendra Nath Bose e da Einstein, mentre per avere una prova sperimentale della sua esistenza bisognerà attendere la fine degli anni ’90. Eric Cornell e Carl Wieman, del National Institute of Standard and Technology di Boulder, in Colorado, nel 1995 producono il primo BEC, condensando circa 2000 atomi di rubidio a una temperatura di 20 nanokelvin (20 miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto). Contemporaneamente, il tedesco Wolfgang Metterle, al Massachusetts Institute of Technolgy di Cambridge, riesce a condensare un gas di atomi di sodio.
Risultati questi che hanno dischiuso una nuova frontiera nell’indagine sperimentale sugli stati aggregati della materia, e il cui valore sarà riconosciuto nel 2001 con il premio Nobel per la fisica a Cornell, Wieman e Ketterle. Da allora, ricercatori di ogni parte del mondo sono riusciti a riprodurre questi risultati utilizzando diversi tipi di atomi e molecole, permettendo così di sperimentare “sul campo” cosa avviene quando la materia viene governata dalle leggi della meccanica quantistica. Una ricerca che vede in prima fila anche i laboratori italiani del LENS di Firenze, dove negli ultimi anni, grazie allo sforzo di Massimo Inguscio e dei suoi colleghi, sono stati collezionati importanti successi.
Per produrre i BEC si utilizzano delle particolari particelle, chiamate dai fisici “bosoni”. Una loro caratteristica peculiare è quella di possedere un momento di spin intero, particolarità che dona ai membri di questa famiglia una propensione del tutto speciale verso la “socializzazione”, o in termini più scientifici la possibilità di poter coesistere tutti assieme nello stesso stato quantico, senza che si verifichi nessun effetto di repulsione. Una proprietà che si rivela determinante non solo per realizzare un BEC ma anche per il funzionamento di un laser, che può emettere una luce estremamente coerente, proprio perché i fotoni, particelle a spin intero, possono essere riuniti in uno stesso livello energetico.
Ma non tutte le particelle presenti in natura si comportano in questo modo. Esiste una seconda grande famiglia di particelle, quella che gli esperti chiamano fermioni, che possono essere descritte solo con delle formule completamente diverse, quelle previste dalla statistica di Fermi-Dirac. A questa gruppo appartengono protoni, neutroni, elettroni, accomunati tra loro per il fatto di possedere uno spin semi intero. Per queste particelle vale il principio di esclusione di Wolfgang Pauli, ben noto ai chimici, secondo il quale due fermioni identici non possono occupare lo stesso livello energetico. La repulsione tra due fermioni non si manifesta solo all’interno di atomi e molecole, distribuendo gli elettroni su orbitali diversi, ma nello Spazio ad esempio, permette l’esistenza delle stelle di neutroni, che resistono al collasso gravitazionale proprio in virtù di questa forza straordinaria.
Nel caso di particelle composte, come ad esempio atomi o molecole, si osserverà un comportamento simile ad un bosone o a un fermione a seconda se il numero totale di protoni, neutroni ed elettroni forma un numero pari o dispari. Ad esempio gli atomi di rubidio sono bosoni e possono essere considerati allo steso modo anche coppie costituite da atomi di potassio, che presi singolarmente sarebbero invece dei fermioni.
Proprio utilizzando una particolare “tecnica di accoppiamento” Deborah Jin e i suoi colleghi dell’Università del Colorado a Boulder, Markus Greiner e Cindy Regal, sono riusciti a formare uno stato condensato formato da singoli atomi di potassio. Nel corso dell’esperimento un gas rarefatto composto da circa mezzo milione di atomi di potassio è stato raffreddato fino ad una temperatura di soli 50 miliardesimi di gradi kelvin al di sopra dello zero assoluto; un vero è proprio record. A questo punto, è stato applicato una soluzione proposta per la prima volta da Murray Holland nel 2001; utilizzare un intenso campo magnetico per orientare i singoli atomi, favorendo così la formazione di coppie, senza promuovere dei veri e propri legami chimici. Un’interazione quindi, che non porta alla formazione di una vera e propria molecola e quindi di un bosone, ma che è sufficiente a permettere agli atomi di potassio di precipitare tutti nello stesso stato energetico per qualche millesimo di secondo.
Questi studi, anche se possono sembrare molto lontani dalla realtà, potrebbero avere un’enorme valenza pratica. I superconduttori, materiali in cui il trasporto di corrente avviene senza la presenza di alcuna resistenza elettrica, si distinguono dai normali metalli proprio per il particolare coordinamento che al loro interno assumono gli elettroni. In particolare il legame che si forma nei cosiddetti “superconduttori ad alta temperatura critica” ha delle caratteristiche che ricordano molto da vicino quelle realizzate nel condensato fermionico. Purtroppo, nonostante il loro nome, questi superconduttori, oggi non possono essere utilizzati a temperature superiori ai –135 °C e questo limita sostanzialmente la loro applicazione pratica. Grazie a queste ricerche potrebbe aprirsi in un futuro prossimo la possibilità di realizzare nuovi materiali capaci di lavorare anche a temperatura ambiente, con una ricaduta tecnologica straordinaria.

Un Universo fantasma

260 — Wed, 21 Jan 2004 00:00:00 GMT

Nel nostro Universo c’è molto di più di quanto sia possibile osservare anche con i più potenti telescopi. Alle stelle e alle galassie luminose, secondo gli astronomi, spetta infatti appena l’uno per cento di tutta l’energia contenuta nel cosmo. Tenendo conto anche delle stelle che non emettono luce sufficiente per essere avvistate, delle dense nubi di polvere cosmica e dei pianeti, la quantità di materia barionica, quella che forma il nostro stesso corpo per intenderci, non rappresenta che un misero tre per cento dell’intero bilancio energetico dell’universo. Tutto il resto è costituito da forme di energia oggi sconosciute, delle quali è evidente solo l’effetto gravitazionale provocato sulla materia, ma che per il resto rimangono completamente al di fuori dai nostri sensi. A gettare nuova luce su questa “materia oscura”, giunge proprio in questi giorni un articolo pubblicato sulla rivista Physical Review D, da Chung-Pei Ma, professoressa associata di astronomia all’Università di Berkeley e da Edmund Bertschinger del Massachusetts Institute of Technology (MIT). Di questa forma esotica della materia, gli astronomi discutono tra loro in realtà da moltissimi anni. Il moto delle stelle nelle galassie e delle galassie all’interno dei grandi ammassi galattici indicano chiaramente che deve esistere molta più materia di quella che riusciamo a percepire attraverso lo studio della radiazione elettromagnetica. Già a partire dagli anni ’80, risultava evidente ad esempio, che la nostra Galassia conteneva complessivamente una quantità di materia oscura 10 volte maggiore rispetto a quella visibile sotto forma di stelle. Conclusioni analoghe valgono anche per il resto dell’Universo e secondo stime affidabili ogni galassia sarebbe inclusa all’interno di una sfera di materia oscura che si estenderebbe ben oltre il suo raggio visibile. In questa ipotesi, le galassie possono essere assimilate a sottili strati di panna che girano in vortice sopra una tazzina piena di caffè. Questo “caffè” sarebbe formato da particelle che non risentono in alcun modo dei campi elettromagnetici e per questo non emettono luce né altre forme di radiazione, rimanendo così invisibili. Particelle che gli astrofisici hanno battezzato con nomi affascinanti, come neutrillino, axion, ed altri ancora, ma che ancora eludono ogni tentativo di avvistamento ravvicinato. Nonostante questo, Ma e Bertschinger, hanno cercato di simulare in che modo abbia potuto evolvere la distribuzione di materia oscura a partire dal Big Bang iniziale. Secondo le loro conclusioni le leggi del moto Browniano, le stesse che governano il movimento della polvere nell’aria, avrebbero modellato il profilo della materia oscura.
Il moto Browniano, spiegato da Einstein nel 1905, è regolato da un’equazione, quella che i matematici e i fisici chiamano, equazione di Fokker –Plank, che serve per descrivere particolari processi di natura stocastica ed è per questo adatta anche a spiegare le variazioni che regolano i mercati azionari. Nel caso di moto browniano una particella può essere considerata in equilibrio tra una forza osmotica, che tende a farla diffondere dalle regioni a più alta concentrazione verso quelle a minore densità, ed una forza viscosa che ritarda il movimento della particella. Se sulla particella agisce un’ulteriore forza esterna, il moto complessivo risultante sarà dato dalla sovrapposizione di un moto regolare su larga scala, che manifesta su scala ridotta delle fluttuazioni dovute ai moti browniani,.
I risultati pubblicati su Physical Review mostrano che proprio queste fluttuazioni fanno sì che la materia oscura non sia distribuita come un semplice involucro uniforme attorno alle galassie, ma che invece, tende a condensare in strutture simili a quelle che si osservano per la stessa materia ordinaria. Secondo Chung-Pei Ma i dati ricavati dalle misure effettuate sulla radiazione fossile ancora presente nell’Universo dimostrano che la materia oscura, subito dopo il Big Bang, ha iniziato a condensare in cluster che sarebbero in seguito evoluti per l’azione della forza gravitazionale. Ognuno di queste “macchie condensate” presenta al suo interno una struttura piuttosto intricata in grado di ospitare stelle e galassie. La materia oscura formerebbe così una vera è propria struttura portante per la materia ordinaria.

Inquinamento sugli oceani

260 — Wed, 21 Jan 2004 00:00:00 GMT

Cattive notizie anche dagli oceani. Le quantità di sostanze inquinanti rilasciate dalle navi che ogni giorno si muovono lungo le rotte commerciali potrebbe essere stata fino ad oggi largamente sottostimata. Ogni anno si muovono in lungo e in largo negli oceani grandi petroliere, navi porta container, pescherecci; questa gigantesca flotta rilascia nell’atmosfera un’enorme quantità di ossidi d’azoto, che in volume potrebbe essere paragonabile a quella prodotta dagli interi Stati Uniti. Queste almeno le conclusioni cui è giunto James Corbett, ricercatore delle University of Delaware in Newark.
Gli ossidi d’azoto rappresentano delle potenti sostanze inquinanti. Vengono prodotti dalla combustione del gasolio particolarmente denso e pesante utilizzato per alimentare i motori diesel delle navi. Gli ossidi d’azoto una volta penetrati nell’atmosfera sono in grado di favorire la formazione di sostanze particolarmente reattive, come ad esempio l’ozono.
Misurare le emissioni prodotte dalle navi è un esercizio molto complesso essendo necessario ricostruire una distribuzione che interessa più o meno ogni parte del mondo. Per ovviare a questa difficoltà, la valutazione dell’impatto ambientale provocato dal trasporto marittimo viene realizzata servendosi delle cifre relative alla vendita annua di combustibile e sulle prestazioni medie assicurate dai motori marini. Stime che però possono essere in difetto se la valutazione delle vendite di “bunker”, è questo il nome del gasolio bruciato nelle navi, non è realizzata in modo corretto.
Corbett e il suo collega Horst Köhler, della MAN B&W Diesel di Augsburg, in Germania, sono giunti alla conclusione che le 88.000 navi che costituiscono la flotta commerciale che solca gli oceani di tutto il mondo, consumano ogni anno 289 milioni di tonnellate di bunker.
Partendo da questo dato è facile dimostrare che gli effetti provocati sull’atmosfera dai fumi rilasciati dalle navi può essere un fattore fino ad oggi pericolosamente sottostimato.
La stessa preoccupazione, seppure con accenti diversi, è condivisa anche da Øyvind Endresen e i suoi colleghi del Det Norske Veritas di Nøvik, in Norvegia, che per le loro stime si sono avvalsi delle rivelazioni effettuate costantemente dai satelliti utilizzati per tracciare le rotte delle navi commerciali. In questo modo è stato possibile determinare con un ottimo grado di precisione le dimensioni e quindi il consumo di ogni singola nave, oltre al percorso effettivamente seguito.
Secondo i ricercatori norvegesi il consumo di combustibile legato al trasporto marittimo deve essere rivisto in alto di circa un trenta per cento rispetto alle stime ufficiali e ad aggravare la situazione, il fatto che spesse volte le rotte sono molto prossime alle coste.

Fertilizzati da morire

260 — Wed, 21 Jan 2004 00:00:00 GMT

Negli ultimi cento anni la disponibilità praticamente illimitata di fertilizzanti a basso costo ha cambiato completamente il livello di produzione nell’agricoltura, permettendo di raggiungere valori che precedentemente erano letteralmente impensabili. La produzione industriale dei fertilizzanti a base di azoto è in continua crescita, ma questo fenomeno induce molti scienziati a temere che in un futuro più o meno prossimo inizieranno a manifestarsi effetti del tutto indesiderati e imprevisti. La metà dell’azoto sparso nella campagne non viene infatti assorbito dalle piante coltivate e quindi può rappresentare una fonte di contaminazione del suolo e delle acque.
In un articolo pubblicato su Nature Nicola Nosengo delinea il quadro complessivo dei rischi provocati da questa continua introduzione nell’ambiente di azoto, in forma di composti reattivi. Una parte considerevole di queste sostanze si ritrovano nell’aria sotto forma di ammoniaca e ossidi d’azoto, che disciolti nel vapore acqueo producono acido nitrico, a sua volta in grado di precipitare al suolo con le piogge. Gli effetti di queste piogge acide sulle foreste sono devastanti; come conseguenza diretta si osserva un rapido incremento del numero di piante malate, mentre più a lungo termine vengono a modificarsi i rapporti tra le diverse specie, producendo variazioni incontrollate nel delicato ecosistema di quegli ambienti,
All’inizio del ‘900 la richiesta mondiale di fertilizzanti cominciò a divenire superiore rispetto alla capacità produttiva dell’epoca. Il nitrato di sodio, la sostanza base per la preparazione dei fertilizzanti, veniva ricavato quasi esclusivamente dai depositi di guano naturale, localizzatati lungo le coste del Cile, e questo impediva una rapida crescita della produzione. Sotto questa spinta la comunità scientifica mondiale, iniziò un’attività febbrile per cercare una fonte naturale, illimitata, di azoto e composti azotati. Fritz Haber effettuò uno studio sistematico sulle reazioni tra azoto ed idrogeno in presenza di catalizzatori, fino a che nel 1913, insieme a Carl Bosh riuscì a sviluppare un processo capace di produrre ammoniaca.
La grande disponibilità di fertilizzanti avrebbe modificato completamente i criteri adottati nelle coltivazioni agricole. Purtroppo questo grande progresso è stato accompagnato da un progressivo inquinamento dell’ambiente. Se fino all’inizio del ‘900 l’azoto reattivo liberato nell’ambiente ammontava a circa 100 milioni di tonnellate per anno, ed era in buona parte attribuibile all’attività di sintesi di batteri specifici, questo valore, è più che raddoppiato per l’azione dell’uomo. Solo la combustione di combustibili fossili produce 25 milioni di tonnellate di azoto reattivo, cui vanno a sommarsi le oltre 100 milioni di tonnellate provenienti dalla produzione industriale di fertilizzanti. Con il tasso di crescita attuale si prevede che la produzione complessiva di azoto reattivo potrebbe sfiorare 900 milioni di tonnellate entro il 2100.
Tutto questo azoto penetra nel suolo e contamina le falde acquifere sotto forma di nitrati per poi finire nei fiumi, nei laghi e lungo le coste. La grande concentrazione di composti azotati disciolti nelle acque favorisce una crescita sproporzionata di alghe, che a loro volta riducono il contenuto di ossigeno rendendo precarie le condizioni di vita dei pesci e delle altre forme di vita marine. Le acque che provengono dal bacino del Mississippi sono così cariche di azoto e di altri fattori nutrienti, da provocare una fioritura di alghe gigantesca, tale da coprire una superficie all’interno del Golfo del Messico pari a 20000 chilometri quadrati. Un fenomeno non certo isolato tenuto conto che lo stesso processo interessa un terzo delle coste degli Stati Uniti.
Questa forma d’inquinamento ha attirato più volte l’attenzione dell’opinione pubblica negli ultimi anni, ma secondo gli scienziati l’incremento di azoto nell’ambiente potrebbe provocare effetti ancora più difficili da identificare. Una parte dell’azoto reattivo, viene rilasciato nell’aria sotto forma di ammoniaca e ossidi di azoto, dove contribuisce ad accelerare i processi di formazione dell’ozono negli strati più bassi dell’atmosfera, aumentando così l’inquinamento ed il riscaldamento della superficie terrestre. La parte di NOX, che si dissolve nel vapore acqueo, forma invece acido nitrico che produce piogge acide.
Nel 1980 John Aber, ricercatore dell’Università del New Hampshire di Durham ha descritto per primo in che modo possono reagire le foreste a questa vera e propria overdose di azoto. Se in un primo tempo lo sviluppo delle piante apparirà favorito, ben presto si raggiungerà un livello di azoto superiore alla quantità che può essere assorbita dalle piante. A questo punto l’azoto può cominciare a fissarsi nel suolo sotto forma di nitrati. Queste sostanze sono in grado di catturare a loro volta calcio e magnesio, che saranno poi disciolti nelle acque piovane. Il processo produce un progressivo impoverimento del suolo, favorendo l’indebolimento delle piante che possono così esser colpite più facilmente dai parassiti o soffrire per periodi di freddo o siccità.
A sostegno delle previsioni di Aber sono i risultati delle ricerche condotte dagli esperti del IVL Swedish Environmental Research Institute che a partire dal 1991 hanno studiato gli effetti provocati dalla saturazione di azoto sulla foresta di Gårdsjön. Una parte della foresta è stata ricoperta con un sottile foglio di plastica trasparente, in modo da preservarla dalla contaminazione d’azoto, mantenendola così come un campione di riferimento. In una diversa area i ricercatori hanno distribuito un quantitativo annuo pari a 40 chilogrammi per ettaro di azoto. Secondo i ricercatori nei primi cinque gli effetti causati da questa disseminazione sono stati praticamente trascurabili, ma dopo questo breve intervallo, cambiamenti via via sempre più rilevanti hanno iniziato ad interessare l’intero ecosistema.

Supercolla dal mare

260 — Wed, 21 Jan 2004 00:00:00 GMT

Un gruppo di ricercatori della Purdue University, negli Stati Uniti è riuscito a svelare il segreto che permette ai mitili di aderire saldamente sulle superfici rocciose, dove prosperano sotto forma di colonie numerose. Un risultato che oltre ad un indubbio interesse scientifico, sembra particolarmente importante per le sue potenziali applicazioni in campo medico ed industriale.
Jonathan Wilker e il suo gruppo di ricerca ha scoperto che questi molluschi per produrre la loro potentissima colla utilizzano un particolare elemento chimico, il ferro, un metallo che fino ad oggi non era mai stato correlato a questo particolare tipo di funzione biologica.
I mitili producono una particolare sostanza che permette di fare presa saldamente su qualsiasi superficie anche la più liscia, come quella ad esempio che forma il teflon sul fondo dei nostri tegami anti aderente, e tutto questo in presenza d’acqua.
Guardando da vicino una comunità di mitili si può distinguere come questi siano fissati tra loro e alle rocce che mantengono l’intera comunità, per mezzo di filamenti finissimi. Ogni mitilo è dotato di un organo interno che ha il compito di secernere queste sottilissime lamine, facendole poi aderire sugli oggetti esterni per mezzo di una particolare miscela di sostanze adesive.Il processo si ripete più volte, fino a quando il mollusco è in grado di esercitare una trazione tale da resistere senza difficoltà alla forza del mare o all’attacco dei possibili predatori. Per realizzare una singola placca adesiva è necessario un tempo pari a circa cinque minuti, mentre per un ancoraggio perfetto sono necessarie almeno venti di queste placche. Questo significa che una sola notte è sufficiente per completare l’intero processo.
Fino ad oggi sono stati realizzati numerosi tentativi per cercare di sintetizzare in laboratorio la colla prodotta dai mitili, ricorrendo all’ingegneria genetica e cercando così di far produrre le particolari proteine che controllano il processo a batteri o a piante di tabacco GM, ma i risultati sono stati piuttosto scarsi. Ora le ricerche realizzate da Wilker, pubblicate sulla rivista chimica Angewandte Chemie International Edition, potrebbero nuove interessanti prospettive in questa direzione. L’ingrediente chiave, in grado di conferire una resistenza così elevata a questa particolare colla è rappresentato da una forma ionizzata dell’atomo di ferro, il Fe3+>/sup>, che i molluschi filtrano direttamente dalle acque del mare.
Come ha spiegato lo stesso autore, in assenza di questo elemento le proteine che formano la sostanza adesiva, si presentano come un massa gelatinosa che indurisce rapidamente solo quando viene aggiunto del ferro. Il metallo fa legare tra loro le singole proteine avviando un processo che in chimica viene indicato con il nome di “curing”. Una funzione che non sembra possa essere svolta da nessun altro metallo disponibile biologicamente.
La possibilità di realizzare sinteticamente una sostanza con queste caratteristiche potrebbe essere estremamente utile in campo medico. Capace di aderire su qualsiasi superficie, anche se questa è molto inumidita, grazie alla sua origine biologica, avrebbe l’ulteriore vantaggio di essere compatibile con i tessuti organici. Ma queste nuove conoscenze potrebbero fornire un notevole strumento anche all’industria nautica. Per proteggere le chiglie delle navi dall’attacco di alghe e molluschi vengono utilizzate delle particolari vernici che rallentano i processi di crescita, liberando rame, tossico però per l’ambiente. Secondo i ricercatori, una soluzione che si limitasse ad ostacolare soltanto le reazioni chimiche di adesione, potrebbe risultare molto meno nociva.

Uno scienziato robot

260 — Wed, 21 Jan 2004 00:00:00 GMT

Un sistema robotizzato per formulare teorie scientifiche, progettare esperimenti, interpretarne i risultati ed infine valutare la validità delle diverse ipotesi iniziali. In altri termini un vero e proprio scienziato robot in grado di svolgere una ricerca scientifica con le stesse procedure che ogni giorno vengono adottate dai “ricercatori umani” di ogni parte del mondo.
Il “Robot Scientist” progettato e realizzato da Ross King, esperto di scienze biologiche ed intelligenza artificiale all’Università del Galles a Aberystwyth, supera di gran lunga anche i suoi “colleghi” più evoluti, che al massimo possono sfidare nei tornei internazionali i grandi campioni di scacchi.
King, con l’aiuto del suo collega Stephen Oliver dell’Università di Manchester, ha realizzato un apparato che attraverso una rete di computer gestisce autonomamente una macchina capace di manipolare una serie di liquidi. Opinione dei ricercatori, così come riportato in un articolo pubblicato nell’ultimo numero della rivista Nature, è che un robot con queste caratteristiche può rappresentare un valido strumento per accelerare il progresso scientifico, specialmente in quei settori dove un elevato livello di automazione più che desiderabile appare praticamente inevitabile. Un robot scienziato, anche se a breve termine non sembra in grado di replicare realmente le capacità umane, potrebbe essere molto utile ad esempio, per valutare più rapidamente la grandissima quantità di dati che provengono dalle ricerche sui geni.
In realtà le singole tecnologie che occorrono per realizzare una macchina di questo tipo sono disponibili già da tempo, ma riunirle tutte in unica architettura complessa, dedicata alla risoluzione di problemi scientifici specifici, rappresenta indubbiamente un importante successo per chi si occupa d’ingegneria meccanica e intelligenza artificiale.
Le capacità dello scienziato robot saranno messe alla prova durante uno studio mirato alla identificazione delle diverse funzioni svolte da geni specifici del lievito. In pratica il compito del robot sarà quello di realizzare diverse forme di lievito, distinguibili tra loro, per l’assenza di un singolo gene, applicando una tecnica largamente utilizzata nei laboratori di ricerca di tutto il mondo, conosciuta con il nome di “knockout”. Le osservazioni effettuate nel corso della fase di sviluppo dei ceppi geneticamente modificati, permette poi di valutare le funzioni svolte da ciascun gene. Un processo che equivale sotto certi aspetti a rimuovere da un’automobile, una alla volta, tutti i suoi pezzi, cercando poi di capire mettendola in movimento, quale sia la funzione attribuibile a ciascuna parte.
Lo scienziato robot è stato corredato con un notevole bagaglio di cognizioni in campo biochimico che potrà applicare utilizzando un sofisticato software che simula una vera e propria intelligenza artificiale. Osservando la crescita del lievito, sarà in grado di generare una serie di ipotesi sulla funzione dei singoli geni, e successivamente stabilire un piano di esperimenti per valutare nel minor tempo possibile e con il minor dispendio di risorse quale sia effettivamente la risposta corretta.
Queste prime ricerche hanno in realtà l’unico obiettivo di valutare le effettive capacità della nuova macchina, gli scienziati infatti già da tempo conoscono le riposte cercate dal robot, ma se i risultati saranno pari alle attese, ben presto sarà possibile avviare una seconda fase di ricerca per l’acquisizione di dati completamente nuovi.
Un dubbio sulle future ricerche? Molte volte il progresso della scienza è legato più che ai successi degli esperimenti, proprio ai loro insuccessi. Immaginazione e creatività sono essenziali per cogliere quelle occasioni che il caso mette inaspettatamente sotto i nostri occhi, ed un laboratorio completamente robotizzato potrebbe annullare proprio quel “serendipity effect” così caro a noi umani.