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livello medio.
ARGOMENTO: OCEANOGRAFIA
PERIODO: XX-XXI SECOLO
AREA: OCEANI
parole chiave: Acqua morta, Nansen, Ekman
Nelle fonti storiche si riportano fenomeni marini inspiegabili di imbarcazioni che incontravano nella navigazione una resistenza al moto eccezionale. Oggi questo fenomeno, noto come acqua morta, è stato finalmente giustificato matematicamente.
Negli anni il mistero aveva affascinato gli scienziati che, analizzando il fenomeno da diversi punti di vista, hanno ora finalmente dimostrato la sua causa legata all’influenza delle diverse densità nel volume della massa d’acqua. La rivista scientifica Proceedings of National Academy of Sciences ha pubblicato i risultati di uno studio effettuato da esperti di meccanica dei fluidi di diversi istituti di ricerca francesi che sono riusciti a classificare matematicamente le diverse onde interne, dando una giustificazione a questo curioso fenomeno.
Partendo dall’assunto che una nave che naviga in un fluido stratificato può essere rallentata o accelerata rispetto ad una analoga situazione in un fluido omogeneo, gli scienziati hanno analizzato due fenomeni di resistenza raggruppati sotto il nome di acqua morta.
l’esploratore norvegese Fridtjöf Nansen, durante la sua spedizione al polo nord nel 1893, riportò sul diario di bordo la presenza di una forza misteriosa che permetteva a malapena di manovrare la nave impedendone l’avanzamento – Autore Henry_Van_der_WeydeFridtjof Nansen LOC 03377u-3.jpg – Wikimedia Commons
Questo fenomeno marino fu riportato per la prima volta dall’esploratore norvegese Fridtjöf Nansen, mentre stava navigando tra le acque della Siberia Settentrionale, durante la sua spedizione al polo nord nel 1893. Durante la navigazione la sua nave sembrò essere fermata da una forza misteriosa che permetteva a malapena di manovrarla e ne impediva l’avanzamento. L’esploratore capì subito che il fenomeno avrebbe avuto da un punto di vista oceanografico una certa rilevanza e trascrisse la sua esperienza nel diario di bordo.
il fisico e oceanografo svedese Vagn Walfrid Ekman, 1874-1954 – autore e fonte foto sconosciuto – Ekman Vagn.jpg – Wikimedia Commons
Nel 1904, il fisico e oceanografo Vagn Walfrid Ekman fu il primo a studiare in laboratorio l’origine fisica del fenomeno notando che nell’interfaccia tra l’acqua salata e l’acqua dolce, le onde interne si propagano e generano una resistenza. In pratica, dimostrò, con prove di laboratorio, cosa avviene sotto la superficie dell’Oceano Artico, in quelle zone di confine in cui l’acqua dolce incontra quella salata. L’interazione provocava delle onde che, propagandosi sotto la superficie, rallentavano il moto della nave a causa del loro impatto sulla carena immersa.
onde interne, come quelle nell’immagine nel Mare delle Andamane, al largo della costa del Myanmar, possono essere alte centinaia di metri e lunghe da decine a centinaia di chilometri. Fonte: NASA Ground Observatory
In particolare, notò che questo fenomeno si verificava quando due fluidi, con diversa densità, si incontravano nel volume d’acqua. Da un punto di vista oceanografico, questo può accadere per molteplici motivi come la vicinanza con una risorgenza profonda (upwelling) di acque meno dense o l’interazione di masse d’acqua in prossimità della foce di un fiume dove le variazioni di densità possono essere molto importanti.
Gli effetti sulla nave sono molteplici
Oltre al rallentamento della nave, contrastata dal moto della massa d’acqua opposto, si possono osservare oscillazioni evidenti dello scafo anche in presenza di mare calmo. Un fenomeno che in antichità spaventò non poco i naviganti.
notare come in presenza delle onde (a destra) si ha un calo della velocità (a sinistra) – da studio citatoThe dual nature of the dead-water phenomenology: Nansen versus Ekman wave-making drags (pnas.org)
Gli scienziati hanno finalmente dimostrato le ragioni fisiche del mistero dell’acqua morta.
Riproducendo in laboratorio le caratteristiche ambientali e morfologiche tipiche di un fiordo artico, sono riusciti infatti a riprodurre il fenomeno. Si è verificato che la nave soggetta al fenomeno dell’acqua morta non avanza anche dando massima potenza ai motori, indipendentemente dalla forma della carena. Si tratta di un fenomeno temporaneo, che può durare da pochi minuti a molte ore, in virtù delle correnti del luogo e della morfologia del fondale. Ad esempio, nel caso di Nansen, come riportato nel suo resoconto, durò solo per poche ore. Ekman dimostrò che le oscillazioni armoniche prodotte svanivano con la variazione dell’intensità della corrente profonda. Un’osservazione non banale in quanto legava il fenomeno dell’acqua morta alla geometria dell’intercetto tra la rotta della nave e la direzione della corrente. Si trattava ora di definirne le caratteristiche matematicamente, cosa che è stata dimostrata dallo studio citato. In estrema sintesi, “le variazioni di velocità dipendono dalla generazione di onde che agiscono come un nastro trasportatore ondulato su cui la nave si muove avanti e indietro”.
Questo fa ipotizzare che, dove questo fenomeno occorre, si possano verificare situazioni tali da modificare il corso degli eventi. Un’ipotesi intrigante è che anche le navi di Cleopatra e di Marco Antonio subirono questo fenomeno durante la Battaglia di Actium (31 a.C.). Come ricorderete essa fu combattuta tra le due grandi flotte di Marco Antonio e di Marco Vipsanio Agrippa all’esterno di un ampio golfo chiuso, quasi un fiordo.
Sebbene molti aspetti dello scontro siano ancora controversi, alcuni storici riportarono che le navi di Cleopatra furono per un momento incapaci di manovrare, come bloccate da una forza misteriosa. Svantaggio abilmente sfruttato da Agrippa che, contando su navi più manovriere ed essendo a conoscenza delle correnti marine locali, vinse lo scontro navale. Un’ipotesi difficile da provare ma che ha spinto gli scienziati a voler approfondire possibili correlazioni, ripercorrendo altri episodi storici navali e marittimi in cui questo fenomeno, ormai svelato, potrebbe aver svolto un ruolo chiave.
Riferimenti
Johan Fourdrinoy, Julien Dambrine, Madalina Petcu, Morgan Pierre, and Germain Rousseaux, The dual nature of the dead-water phenomenology: Nansen versus Ekman wave-making drags, 2020, https://doi.org/10.1073/pnas.1922584117
Nansen, O. Sverdrup, Farthest North (Archibald Constable, 1897), vol. 1.
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Delefortrie, M. Vantorre, “Ship manoeuvring behaviour in muddy navigation areas: State of the art” in 4th MASHCON, K. Uliczka et al., Eds. (Bundesanstalt für Wasserbau, 2016), pp. 26–36.
W. Ekman, “On dead water” in Norwegian North Polar Expedition 1893–1896, F. Nansen, Ed. (Longmans, Green and Co.), pp. 1–150 (1904).
E. Gill, Atmosphere-Ocean Dynamics (International Geophysics Series, Academic Press, 1982).
Miloh, M. Tulin, G. Zilman, Dead-water effects of a ship moving in stratified seas. J. Offshore Mech. Arctic Eng. 115, 105–110 (1993).
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