Questo articolo è stato inserito nella pagina d'archivio "Vortici e Turbolenze", che si trova sia nella sezione "Fisica Classica" che in "Forme ricorrenti nell'Universo"

L’idea per questo articolo mi è venuta ammirando per l’ennesima volta uno dei massimi capolavori di Van Gogh e accostandolo con una foto di bellissime e stranissime nuvole. Il passaggio a Giove (e non solo) è stato immediato ed eccoci qui a parlare dell’instabilità di Kelvin-Helmholtz. E, per non farci mancare niente, spunterà la solita spirale e anche un meccanismo che porta lo stesso nome (vedi pianetone ancora caldo e luminoso).

La notte stellata di Van Gogh (Fig. 1) è sicuramente una delle sue opere più note e impressionanti. Il dinamismo delle stelle e di quelle strutture avvolgenti rappresentano la vitalità dell’Universo come ben poche descrizioni matematiche e fisiche professionali potrebbero mai fare. Si legge, spesso, che i vortici incombenti potrebbero rappresentare le galassie. No, non credo proprio, dato che il nostro sfortunato genio non poteva conoscere così bene la struttura di una galassia. Molto più sensato è che riportassero un fenomeno nuvoloso che lo aveva colpito qualche giorno prima. In poche parole, la prova affascinante e macroscopica dell’instabilità di Kelvin-Helmholtz (d’ora in poi K-H).

Prima di affrontarla, cerchiamo, però, di non confonderla con il meccanismo di K-H, che è tutt’altra cosa. Chi ha letto “Il Gioco delle Stelle” lo conosce molto bene, dato che è stato considerato, per un certo periodo di tempo, il meccanismo che permetteva a una stella di mantenere un’altissima  temperatura e di inviare energia luminosa. In altre parole di essere stella! Un meccanismo legato al “solito” teorema del viriale, in cui l’equilibrio di una nube di materia collassante si raggiunge solo attraverso gravità ed energia cinetica. Alla forza di gravità che comprime la massa reagiscono le particelle che, agitandosi, irradiano energia termica e luminosa. Una lotta tra energia potenziale ed energia cinetica che le dimensioni dei nuclei atomici non possono, però, sostenere per sempre.

Grande delusione per i due scienziati quando si è calcolato che, sfruttando tale meccanismo, il Sole avrebbe dovuto avere una vita di soli 18 milioni di anni. Un’età che tornava poco con la datazione di alcune rocce terrestri che era stata calcolata essere dell’ordine del miliardo di anni. Kelvin tentò di convincere i colleghi geologi che sicuramente le misurazioni erano sbagliate.  Ma era lui ad avere torto. Tuttavia, il tempo di K-H è risultato, comunque, una grandezza fondamentale, proprio perché stabilisce il tempo necessario all’innesco  della fusione nucleare (quando la massa e la temperatura sono sufficientemente grandi). Pianeti come Giove sono ancora caldi proprio sfruttando questo meccanismo. Corpi ancora in lenta contrazione e destinati a raffreddarsi con il tempo. Se poi il pianeta è un gigante (oppure una nana bruna) ed è anche molto giovane, può quasi assomigliare a una stella. Ma è solo fumo e poco arrosto…

Ben altra cosa è l’instabilità fluidodinamica che porta lo stesso nome. Essa è estremamente semplice come concetto. Possiamo semplificarla in Fig. 2 con due fluidi a contatto che abbiano velocità di spostamento diversa. In altre parole, per quello in basso è quello di sopra che si muove verso destra, per quello in alto è quello in basso che si muove verso sinistra. Sistemi di riferimento inerziali (velocità costante)…  Cosa succede al bordo tra i due fluidi? Qualche molecola di quello basso comincia a essere trascinata da quello superiore, mentre qualche altra molecola di quest’ultimo viene catturata da quello sotto. Si crea una specie di onda, dapprima appena accennata e poi sempre più ampia. Proprio come un mare che dall’essere di calma quasi piatta diventa quasi mosso o mosso. Dove si formano onde si può arrivare velocemente a vortici e il fenomeno dapprima microscopico aumenta sempre più d’intensità fino a dar luogo a veri e propri “cavalloni” ondosi. A seconda delle superfici coinvolte si possono generare veri e propri mulinelli che, ancora una volta, hanno l’aspetto della nostra cara amica spirale.

Anche se basato su principi fisici diversi, ci ricorda molto ciò che capita tra anelli e satelliti pastore (ne abbiamo parlato svariate volte). Il satellite interno, più veloce, trascina con sé particelle dell’anello velocizzandole. Le  particella acquistano energia e si portano su un’orbita più alta. Il satellite esterno, invece, rallenta altre particelle e queste perdono energia abbassandosi verso il pianeta. Conclusione: l’anello si mantiene molto stretto!

I gas coinvolti in questo gioco di K-H si trovano un po’ ovunque nell’Universo, perfino nel vento solare. Tuttavia, le manifestazioni più evidenti si hanno negli strati atmosferici con la creazioni delle nubi ad onda, non così rare come si potrebbe pensare. Ne vediamo qualche bellissimo esempio in Fig. 3. Hanno o non hanno una somiglianza eccezionale con quelle dipinte dal grande pittore fiammingo?

Ma, forse, gli esempi più belli si hanno sui giganti gassosi, soprattutto su Giove (ma, dopo Cassini, anche su Saturno). Basta qualsiasi immagine e si vedono benissimo zone di instabilità di K-H lungo le varie fasce di Giove (Fig. 4). Anche attorno alla macchia rossa (un vortice in moto rapido) fanno bella mostra queste nuvole (Fig. 5). Amici astrofili, quando guardate Giove al telescopio pensateci... anche questa è Natura e vi farà viaggiare con la mente fino al grande Van Gogh.

Avranno anche accorciato la vita del Sole, ma i nostri due amici hanno spiegato brillantemente un fenomeno che pervade tutto l’Universo.

QUI le nuvole di Kelvin-Helmhotz fotografate, insieme ad un Marte particolarmente splendente, dalla nostra Giorgia

Questo articolo è stato inserito nella pagina d'archivio GIOVE E I SUOI TESORI, in SISTEMA SOLARE.