Salvaguardia dell’ambiente. Processi di mescolamento e trasporto di inquinanti in acqua

di Michele Mossa, Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale, del Territorio, Edile e di Chimica, Politecnico di Bari.

(tratto da: Michele Mossa, Salvaguardia dell’ambiente. Processi di mescolamento e trasporto di inquinanti in acqua, in Scienze e Ricerche, n. 5, marzo 2015, pp. 33-44)

 

 “La grande differenza tra la situazione attuale e quella nella quale potremmo trovarci nel giro di poche generazioni evidenzia l’urgenza di ridurre ogni forma di pressione
che oggi sta spingendo molte specie vero l’estinzione.”
(Barnosky et al., Nature, Research Review, 2011)
 
“Se le api scomparissero dalla faccia della Terra,
l’Uomo avrebbe solo quattro anni di vita.”

(Albert Einstein)

1   L’ambiente al giorno d’oggi e il potenziale contributo dell’Idraulica

La crescita economica esplosiva, iniziata negli anni ’60, sicuramente ha lasciato il segno sull’ingegneria idraulica e su un ampio spettro di problemi ambientali, legati a:

  • 1) Inquinamento (dovuto alle acque reflue domestiche e industriali, acque di raffreddamento, sversamenti di petrolio, fertilizzazione dei campi, etc.).
  • 2) Gestione delle risorse idriche (acqua potabile, per uso industriale, irriguo, idroelettrico, etc.).
  • 3) Navigazione (correnti marine, formazione di ghiacci, processi di shoaling, processi di erosione con i conseguenti dragaggi, realizzazione di opere di protezione, etc.).
  • 4) Alluvioni (previsioni climatiche, dighe, disciplina degli scarichi).
  • 5) Traffico (gallerie, ponti, porti, etc.)
  • 6) Attività di mare aperto (correnti costiere e vortici, derive di strati di ghiaccio, avarie, etc.)
  • 7) Pesca (correnti, salinità, temperatura, contenuto di ossigeno, formazione di fronti,
  • etc.)

Tra le tematiche menzionate in precedenza, quella dell’inquinamento sta diventando sicuramente sempre più pressante, per le sue enormi conseguenze su aria, terra e acqua. Storicamente l’inquinamento è diventato un tema di vasta portata mediatica dopo la Seconda Guerra Mondiale, a causa delle radiazioni dovute alle esplosioni delle bombe atomiche durante la guerra e ai test che si tennero successivamente. In seguito, una grave catastrofe ambientale non nucleare si verificò a Londra nel 1952, il cosiddetto Grande Smog, provocando la morte di almeno 4.000 persone. Quell’evento disastroso portò alla promulgazione della prima grande e moderna legislazione di tutela ambientale, il Clean Air Act del 1956. Seguirono altri gravi episodi di inquinamento, che contribuirono ad accrescere la consapevolezza del problema su vasta scala. In particolare, nel 1974 lo sversamento di PCB (policlorobifenili) nel fiume Hudson (New York, USA) portò al divieto da parte dell’EPA (l’Environmental Protection Agency degli Stati Uniti) del consumo di pesce proveniente da quelle acque. A partire dal 1947 si ebbe una prolungata contaminazione da diossina a Love Canal (Niagara Falls, contea di Niagara, New York, USA). Nel 1978 la questione divenne di interesse nazionale, portando alla Superfund Legislation del 1980. Una serie di procedimenti giudiziari degli anni ’90, che resero famosi i paladini delle vittime, contribuì a far luce sugli sversamenti di cromo esavalente in California. L’inquinamento delle aree industriali portò alla coniazione del termine brownfield per indicare una zona industriale da riqualificare. Oggi il termine è utilizzato molto spesso nell’ambito della pianificazione urbana.

Negli Stati Uniti le problematiche connesse con l’inquinamento divennero sempre più di vasto interesse pubblico tra la metà degli anni ’50 e l’inizio degli anni ’70, quando il Congresso approvò una serie di normative tese alla salvaguardia dell’ambiente, come il Noise Control Act, il Clean Air Act, il Clean Water Act e il National Environmental Policy Act.

In Italia uno dei primi grandi disastri ambientali si verificò intorno alle ore 12:37 del 10 luglio 1976 in un piccolo impianto di produzione chimica a Seveso, a circa 15 km a nord di Milano. Il disastro provocò una elevata esposizione alla diossina della popolazione residente. Sul caso sono stati condotti numerosi studi scientifici e, a partire da quell’evento, sono state redatte una serie di norme sulle procedure standard di sicurezza industriale. L’effetto immediato della contaminazione da diossina fu la morte di 3.300 animali domestici, per lo più pollame e conigli. Inoltre, delle 1.600 persone di ogni fascia di età che vennero esaminate, 447 risultarono colpite da gravi lesioni cutanee, come la cloracne.

Venne realizzato un centro di consulenza per le donne in stato di gravidanza, di cui 26 optarono per un aborto, che era legale in casi particolari, dietro previo consulto. Il disastro di Seveso può essere considerato come l’evento che portò la vasta problematica dell’inquinamento di fronte all’attenzione dell’opinione pubblica italiana.

Nel frattempo, negli ultimi anni, nuovi grandi paesi, come la Cina, l’India, il Brasile, hanno avviato una massiccia industrializzazione, non sempre accompagnata da una corretta sensibilità nei confronti dell’ambiente.

Sicuramente gli eventi brevemente descritti in precedenza e altri ancora, che non è possibile qui riportare per ragioni di brevità, hanno sollecitato una maggiore sensibilità verso i problemi ambientali, con conseguenze di rilievo sulla ricerca scientifica, in generale, e sull’Idraulica, in particolare.

Infatti, oggi la maggior parte delle attività indirizzate alla ricerca a agli aspetti tecnico-ingegneristici dei settori dell’Idraulica sono strettamente legate alla salvaguardia dell’ambiente. Finanche in settori come l’ingegneria delle turbomacchine la ricerca e la tecnica tengono nel dovuto conto le problematiche ambientali. Per esempio, un tema di rilievo per gli ingegneri che si occupano delle turbomacchine è la produzione di energia con delle turbine che sfruttino le correnti di marea, ponendo, tuttavia, sempre particolare cura ad alcune questioni ambientali, come la migrazione dei pesci, etc. Oggi il termine Ambiente riscuote un indubbio interesse tra i governi, le società finanziarie, l’industria e così via. Basti pensare che nel Regno Unito opera l’Environmental Agency, negli Stati Uniti l’equivalente agenzia EPA, etc. Queste agenzie governative si occupano anche di temi cari all’Idraulica, con particolare riguardo alle problematiche della protezione dell’ambiente e dei corpi idrici. In altre parole, molte tematiche di interesse dell’Idraulica, sia nel campo della ricerca che in quello professionale, sono sempre più inserite nell’ampio contesto delle questioni ambientali.

Si tratta di temi sempre più attuali e complessi, legati anche al dibattito sui cambiamenti climatici e alla recente controversia scientifica (è noto che su questo argomento la comunità scientifica non è sempre unita, per quanto in generale la maggior parte dei ricercatori siano d’accordo sul riscaldamento terrestre dovuto soprattutto alle attività umane; a titolo di esempio, si vedano gli articoli, i reportage, i principali lavori scientifici, i commenti e le analisi su Nature Reports Climate Change dal sito web www.nature.com/clima/index.html), alla problematica sociale dovuta alla scarsità di acqua potabile (si ricorda che, soprattutto nei Paesi in via di sviluppo, milioni di persone soffrono per la mancanza o per la scarsità di acqua potabile; tra l’altro, in alcuni casi, la soluzione al problema, come la costruzioni di enormi dighe, è risultata peggiore del problema stesso, provocando danni ambientali incalcolabili), alla domanda sempre più crescente di fonti di energia (un contributo alla soluzione di questo problema proviene anche dal potenziale utilizzo di sistemi che sfruttano le correnti marine e le maree; si tratta, dunque, di sistemi in cui la comunità dei ricercatori e ingegneri idraulici è fortemente coinvolta). Tutti questi temi hanno portato all’organizzazione di specifici congressi che si ripetono a intervalli regolari, workshop, partnership e alla costituzione di nuovi enti e gruppi di lavoro.

L’allarme nei confronti dell’inquinamento e dei problemi ambientali del nostro pianeta è stato recentemente messo in evidenza in un articolo pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature (Barnosky et al., 2011) con un titolo minaccioso: È già in atto la sesta estinzione di massa della Terra?

Per i paleontologi l’estinzione di massa si verifica quando la Terra perde più di tre quarti delle specie viventi in un intervallo temporale geologicamente breve (come è successo solo cinque volte negli ultimi 540 milioni anni o giù di lì). Recenti studi condotti dalla comunità scientifica dei biologi sono indirizzati a verificare se è in atto una sesta estinzione di massa, in considerazione della scomparsa di diverse specie animali e vegetali verificatesi nel corso degli ultimi secoli e millenni. Come già scritto, in letteratura vengono identificate cinque estinzioni di massa, le cosiddette Big Five (si veda la Figura 1) di seguito elencate:

1) Estinzione del Cretaceo-Paleogene (estinzione del fine Cretaceo): 65,5 milioni anni fa, alla fine del Cretaceo. In quel periodo si estinse la maggior parte dei dinosauri non-avicoli. I mammiferi e gli uccelli divennero i vertebrati terrestri dominanti nell’era di una nuova vita.

2) Estinzione del Triassico-Giurassico (fine Triassico): 205 milioni di anni fa durante la transizione Triassico-Giurassico. Si estinsero la maggior parte degli Arcosauri non dinosauri, la maggior parte dei Terapsidi e la maggior parte degli anfibi di grandi dimensioni, consentendo ai dinosauri di emergere per scarsa competizione con altre specie.

3) Estinzione del Permiano-Triassico (fine Permiano): 251 milioni di anni fa durante la transizione Permiano-Triassico. Si tratta della più grande estinzione verificatasi sul pianeta Terra, durante la quale scomparvero il 57% di tutte le famiglie e l’83% di tutti i generi viventi. Dopo l’estinzione divennero dominanti nuove unità tassonomiche. Sulla Terra si conclude il primato dei rettili simili ai mammiferi. Le specie estinte crearono spazio per l’ascesa degli Arcosauri.

4) Estinzione del tardo Devoniano: 375-360 milioni di anni fa vicino al periodo di transizione Devoniano-Carbonifero. Forse questa estinzione durò fino a 20 milioni di anni e ci sono prove di picchi di processi di estinzione in questo periodo.

5) Estinzione dell’Ordoviciano-Siluriano (fine Ordoviciano o O-S): 450-440 milioni di anni fa durante la transizione Ordoviciano-Siluriano. Si verificarono due eventi che provocarono la morte del 27% di tutte le famiglie e il 57% di tutti i generi viventi. In termini di percentuale di generi viventi estinti, gli scienziati ritengono che, insieme, i due eventi rappresentino la seconda più grande estinzione tra le cinque più importanti della storia della Terra.

figura 1afigura 1b

Figura 1. Le cinque grandi estinzioni di massa, cosiddette Big Five. [Per gentile concessione di Benton (2011).]

La Figura 2 tratta da Barnosky et al. (2011) mostra una relazione tra il tasso di estinzione dei mammiferi e l’intervallo di tempo relativamente al quale il tasso di estinzione è calcolato.

Figura 2

Figura 2. Relazione tra i tassi di estinzione dei mammiferi e l’intervallo di tempo durante il quale i suddetti tassi sono stati valutati. Ogni piccolo punto grigio rappresenta l’estinzione per milione di specie e per anno (E/MSY) calcolata dalle durate delle unità tassonomiche riportate nel Database di Paleobiologia (intervalli unitari temporali di milioni di anni o più) o da elenchi di specie esistenti, recentemente estinte e del Pleistocene presenti in letteratura (intervalli unitari temporali di 100.000 anni e inferiori). Sono stati tracciati più di 4600 punti rappresentativi di altrettanti dati, raggruppati uno sopra l’altro. Il tratteggio di colore giallo definisce l’intervallo di varianza ‘normale’ (non antropogenico) del tasso di estinzione che ci si aspetterebbe per intervalli di misurazione differenti; per più di 100.000 anni, esso è uguale all’intervallo di confidenza del 95%, ma la dissolvenza presente sul lato destro del diagramma indica che il limite superiore della varianza ‘normale’ diventa incerta per intervalli di tempo relativamente piccoli. Le piccole linee orizzontali indicano la E/MSY determinata empiricamente per ogni intervallo unitario temporale. I pallini colorati grandi indicano i tassi di estinzione calcolati dal 2010. I pallini rossi si riferiscono all’estinzione del fine Pleistocene. I pallini arancione si riferiscono alle estinzioni documentate storicamente e mediate (da destra a sinistra) negli ultimi 1, 30, 50, 70, 100, 500, 1.000 e 5.000 anni. I pallini blu rappresentano un tentativo di migliorare la comparabilità dei dati più attuali con quelli basati sui fossili. In altri termini, il fine è quello di migliorare i dati relativi alle estinzioni delle specie ottenuti sulla base di scarsi dati fossili (come quelli relativi ad aree geografiche piccole o ai pipistrelli). I triangoli marroni rappresentano la proiezione dei tassi di estinzione che si avrebbero se i mammiferi “a rischio” si estinguessero entro 100, 500 o 1000 anni. Il triangolo più in basso (di ogni serie verticale) indica il tasso di estinzione che si avrebbe qualora solo le specie ‘in pericolo critico’ (‘critically endangered’, ossia, utilizzando una sigla, CR) dovessero estinguersi, il triangolo centrale indica il tasso di estinzione qualora si estinguessero le specie ‘in pericolo critico’ + ‘in pericolo’ (‘critically endangered’+‘endangered’, ossia, utilizzando delle sigle, CR ed EN), mentre il triangolo più in alto indica il tasso di estinzione che si avrebbe qualora si estinguessero le specie ‘in pericolo critico’ + ‘in pericolo’ + ‘vulnerabili’ (ossia ‘critically endangered’+‘endangered’+‘vulnerable’, ossia, utilizzando delle sigle, CR+EN+VU). [Per gentile concessione di Barnosky et al., 2011.]

 

La Figura 3 tratta da Barnosky et al. (2011) riporta la percentuale stimata di unità tassonomiche estinte secondo l’International Union for Conservation of Nature in confronto il punto di riferimento del 75%, che, come già detto, è il valore minimo della percentuale di estinzione delle specie perché si possa parlare di estinzione di massa.

 

Figura 3Figura 3. I numeri accanto a ogni icona indicano la percentuale di estinzione di una specie. Le icone bianche indicano la percentuale delle specie ‘estinte’ e ‘estinte allo stato brado’ nel corso degli ultimi 500 anni. Le icone nere riportano la percentuale delle specie ‘minacciate’ sommata a quella delle specie ‘estinte’ o ‘estinte allo stato brado’, la percentuale degli anfibi può raggiungere il 43%. Le icone gialle indicano le percentuali delle specie estinte relative alle cinque grandi estinzioni di massa: Cretaceo + Devoniano, Triassico, Ordoviciano e Permiano (da sinistra a destra). Gli asterischi indicano le unità tassonomiche per le quali pochissime specie (meno del 3% per i gasteropodi e bivalvi) sono state valutate; le frecce bianche indicano i casi in cui le percentuali di estinzione sono probabilmente sovrastimate (in quanto le specie percepite come in pericolo possono gravare sul valore). [Per gentile concessione di Barnosky et al., 2011.]

La conclusione principale di Barnosky et al. (2011) evidenzia che sicuramente le attuali estinzioni di massa sono il frutto di una sinergia di eventi insoliti. Per le grandi estinzioni di massa, le cosiddette Big Five, questa sinergia di eventi negativi fu dovuta ad una dinamica insolita del clima, alla composizione atmosferica e a fattori di stress ecologici di anormale elevata intensità. Inoltre, gli autori hanno osservato che anche degli incidenti casuali, come l’impatto di un asteroide nel Cretaceo, potrebbero da soli causare un’estinzione devastante, ma la percentuale delle specie estinte sarebbe, in ogni caso, inferiore se, a monte, i fattori di stress sinergici non “innescassero la pompa dell’estinzione”.

L’aspetto innovativo della potenziale sesta estinzione di massa è che oggigiorno una serie di fattori ecologici di stress estremo stanno rapidamente cambiando le condizioni atmosferiche, provocando, altresì, un riscaldamento con temperature al di sopra di quelle tipiche interglaciali, a causa del continuo incremento dei livelli di CO2, della frammentazione degli habitat, dell’inquinamento, delle attività massive di pesca e caccia, delle specie invasive, dei patogeni e dell’espansione della biomassa umana.

Ad esempio, per quanto riguarda l’inquinamento del mare e il depauperamento degli oceani, dovuto anche ad una eccessiva attività di pesca, il risultato a cui si giungerà per effetto dell’attuale voracità e mancanza di sensibilità verso l’ambiente, sarà un mare privo di pesci e colmo di meduse. Infatti, il dominio dell’uomo sulla natura sta influenzando anche il mare. Scartabellando tra gli archivi della Biblioteca Pubblica della Contea di Monroe, Loren McClenachan, una ricercatrice laureatasi presso lo Scripps Institution of Oceanography, ha evidenziato il profondo cambiamento in atto nei mari attraverso un caso eloquente. Loren McClenachan è riuscita a trovare una serie di foto storiche di un’azienda di pesca ricreativa a noleggio nel Key West (Florida, USA) tra il 1950 e 1980, estendendo la sua analisi anche ai giorni nostri con delle foto scattate personalmente sempre sullo stesso molo. Si vedano le foto in Figura 4 e per maggiori dettagli si veda McClenachan (2009).

 

anni 50

a) Anni ‘50: 20 Kg. Sessanta anni fa, enormi cernie e squali dominano la pesca nel Key West.

anni 80

b) Anni ’80: 9 Kg. Trenta anni fa, la pesca massiva nella regione ha eliminato i pesci più grandi dalla retata.

2007

c) 2007: 2,3 Kg. Al 2007 la dimensione media dei pesci nel Key West si è ridotta dell’88%.

Figura 4 (a-c).Gli oceani hanno già assorbito circa il 30% del biossido di carbonio rilasciato dalle attività umane fin dal periodo antecedente lo sviluppo industriale, soprattutto per effetto della combustione di combustibili fossili. Se le emissioni di anidride carbonica non verranno limitate, si prevede che l’acidità degli oceani aumenterà del 150% entro il 2050. È probabile che gli effetti dell’acidificazione dei mari creeranno maggiori problemi alle specie con conchiglie di carbonato e al fitoplancton che sostiene la catena alimentare. L’acidificazione è solo una parte del problema, poiché gli scarichi a mare dei nutrienti provenienti dalla terra, sotto forma di fertilizzanti e acque nere, e le temperature più elevate tipiche degli ultimi anni hanno recentemente causato un incremento delle aree marine prive di vita. Tra l’altro, i mari non saranno totalmente privi di vita. Infatti, il processo di estinzione, con le relative specie debellate, sta creando anche dei vincitori, come, ad esempio, le meduse, che, di fatto, prosperano nei mari ricchi di sostanze inquinanti. [Per gentile concessione di Loren McClenachan e Monroe County Public Library.]

 

Negli anni ’50 enormi cernie Golia e squali, in alcuni casi finanche più grandi e grossi dei pescatori, erano le specie dominanti della retata di pesca. Nel corso degli anni i pesci si sono ridotti di dimensione e le cernie e gli squali hanno lasciato il posto a piccoli dentici e pesci burro. A rimanere immutati rispetto agli anni ’50 sono solo i larghi sorrisi sui volti dei pescatori e turisti, del tutto ignari dei profondi cambiamenti dell’ambiente degli ultimi decenni. Tra l’altro è appena il caso di osservare che la pesca massiva rappresenta solo un piccolo pezzo di un puzzle molto più grande, costituito da molte situazioni di grave impatto ambientale tra loro strettamente connesse. Infatti, nei nostri fiumi ed oceani vengono immessi grandi quantitativi di inquinanti chimici e industriali, senza considerarne le gravi conseguenze. La produzione non pianificata di gas serra ne provoca l’infiltrazione nelle zone più profonde dei mari, con conseguente modifica della chimica delle acque, della temperatura e del contenuto di ossigeno, che sono tra le cause delle variazioni dei flussi delle correnti marine di profondità, spesso con implicazioni drammatiche.

L’attuale livello di pressione sull’ambiente sta spingendo gli ecosistemi marini verso il limite della loro sopravvivenza. A tal riguardo un esempio può essere esplicativo. La Figura 5 mostra i cinque grandi vortici di corrente oceanica del mondo, ognuno delimitato dai continenti più vicini.

Figura 5

Figura 5.La Grande Chiazza di Immondizia del Pacifico (Great Pacific Garbage Patch o Pacific Trash Vortex) è una zona dell’Oceano Pacifico in cui tendono a concentrarsi i rifiuti rilasciati in mare. È approssimativamente posizionata tra il 135° e il 155° di longitudine ovest e tra il 35° e il 42° di latitudine nord, anche se tende a spostarsi ogni anno e, dunque, la sua esatta posizione esatta è di difficile individuazione. Questo ammasso di immondizia si trova all’interno della grande struttura vorticosa del nord dell’Oceano Pacifico, che ne delimita l’estensione. La chiazza è costituita da un cumulo di oggetti e particelle di plastica di varie dimensioni, presenti sia in superficie che nell’intera colonna d’acqua, fino in profondità. Le correnti dell’Oceano Pacifico creano un vortice che inghiotte gli scarichi e i detriti provenienti dalle coste del Nord America, dell’Asia e delle Isole Hawaii. È stato stimato che l’80% dei rifiuti viene immesso in mare attraverso i sistemi fognari e i fiumi e, dunque, proviene dalla terra, mentre il 20% proviene dalle navi o direttamente dal mare, come le reti, l’attrezzatura da pesca o i contenitori che cadono in acqua dopo forti temporali.

 

Questi vortici sono responsabili di gran parte delle correnti superficiali del pianeta. I detriti galleggianti scaricati in mare e provenienti dai continenti o dalle navi vengono trascinati da queste correnti, convergendo verso alcune zone di mare aperto. In particolare, è ormai tristemente famosa la Grande Chiazza di Immondizia del Pacifico (Great Pacific Garbage Patch), la cui formazione fu già prevista da Day et al. (1990) in un articolo pubblicato dal NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration degli Stati Uniti).

In conclusione, senza uno sforzo concertato di mitigazione, i vari fattori di stress che attualmente agiscono contro il nostro pianeta aumenteranno nell’immediato futuro, con conseguente incremento dei processi di estinzione di diverse specie viventi e gravi ripercussioni sull’intero ambiente. A tal riguardo, una conclusione ottimistica di Barnosky et al. (2011) evidenzia che è ancora possibile salvaguardare gran parte della biodiversità della Terra, sottolineando, tuttavia, che una mancata inversione di rotta rispetto all’attuale condizione di stress a cui è sottoposto il pianeta provocherà una escalation di gravi minacce per l’ambiente.

Pertanto, la comunità scientifica è chiamata a dare una risposta ad una sfida futura, sviluppando una visione armonica e interdisciplinare dell’attività di recupero e salvaguardia dell’ambiente, che sia scientificamente basata, sostenibile, finanziariamente accettabile e a basso rischio.

 

“Oggi in molti ritengono che i punti di scarico diretti
non sono la causa principale dei problemi ambientali
dei laghi e dei fiumi. Di fatto, le immissioni non puntuali
(ossia le immissioni non provenienti da una condotta di scarico,
ma da un’area ampia e di difficile delimitazione)
rappresentano l’origine primaria dei contaminanti.”
(Scott Socolofsky e Gerhard H. Jirka)

 

2    Tipiche correnti stratificate di rilevanza ambientale

La maggior parte dei problemi degli ambienti acquatici naturali sono resi complessi dalle variazioni spaziali e temporali della stratificazione di densità, causate dalle variazioni di temperatura e salinità o dalla presenza di particelle in sospensione. La formazione di termoclini (gradienti verticali di temperatura), aloclini (gradienti verticali di salinità) e picnoclini (gradienti verticali di densità) ha una grande influenza sulla circolazione e sulla qualità delle acque.

Il processo di mescolamento che origina da stratificazioni stabili di due fluidi (ad esempio, uno strato di acqua dolce al di sopra di uno strato di acqua salata) richiede una certa quantità di energia. In natura questa energia proviene da molte fonti, come il vento, le maree, gli scambi termici, l’evaporazione, la formazione di ghiacci, le variazioni della pressione atmosferica, la gravità, etc. (si veda, per esempio, la Figura 6). La maggior parte dell’energia fornita è utilizzata per scopi diversi dal processo di mescolamento (Csanady, 1980; Rutherford, 1994; Seminara e Tubino, 1996; Socolofsky & Jirka, 2005).

Ad esempio, l’energia trasferita dal vento alle masse d’acqua è principalmente responsabile della formazione delle onde, della circolazione di superficie, del setup (in particolare, negli oceani si verificano fenomeni di risalita, cosiddetti upwelling, e sprofondamento, cosiddetti downwelling) e quindi della produzione di energia cinetica turbolenta, che, in ultimo, viene dissipata in calore. Cessando il vento, terminano anche i moti ondosi, le correnti e il setup. Tuttavia, a causa del processo di mescolamento innescatosi, parte dell’acqua salata e, dunque, a maggiore densità, risale verso la superficie, vincendo la gravità e mescolandosi con strati di acqua più superficiali; questo processo di risalita ne ha provocato un aumento di energia potenziale.

L’efficienza di questo processo di mescolamento è dato dal rapporto tra il guadagno in energia potenziale e l’energia in ingresso, resa disponibile attraverso i vari fenomeni indicati in precedenza (ossia la produzione di energia cinetica turbolenta). Tale rapporto, detto numero di flusso di Richardson, sembra essere costante per un gran numero di correnti di densità stratificate. Per la piena comprensione della dinamica di questi campi di moto è importante analizzare anche il guadagno di energia potenziale del flusso dovuta ai contributi energetici della massa introdottasi nello stesso (attraverso il cosiddetto processo di intrusione, maggiormente noto con il termine anglosassone di entrainment).

Figura 6

Figura 6. Schema delle fonti di energia per i mari, laghi, etc.

I campi di moto di rilevanza per gli ambienti acquatici naturali possono essere suddivisi in:

1) Campi di moto non miscibili a stratificazione di densità: il flusso si comporta come un campo di moto normale (omogeneo) sottoposto a un’accelerazione di gravità fortemente ridotta.

2) Campi di moto miscibili spinti dalla forza di galleggiamento. In questo caso il campo di moto e la stratificazione dipendono dal processo di mescolamento, tanto da influenzare le equazioni descrittive di questi flussi. Viceversa, è anche possibile affermare che il mescolamento dipende dal campo di moto e dalla stratificazione. Questa notevole e vicendevole influenza tra la turbolenza (legata al mescolamento) e il campo di moto medio rappresenta un elemento distintivo di questi flussi.

La Figura 7 mostra alcuni campi di moto di fluidi miscibili tipici dei laghi, come indicato da Imboden & Wüest (1995).

Figura 7

Figura 7.Schema di alcuni tipici processi di mescolamento in un lago.

 

“Se ti addiviene di trattare delle acque consulta prima l’esperienza e poi la ragione”
(Leonardo da Vinci)
 
“Ho capito subito che c’era poca speranza
di sviluppare una teoria pura e chiusa,
e, in mancanza di tale teoria, la ricerca deve basarsi su
ipotesi ottenute dall’elaborazione di dati sperimentali.”
(A.N. Kolmogorov)

 

3    Esempi di processi di diffusione: getti interagenti con altri campi di moto o con la vegetazione al fondo

Il mare è sempre stato il recapito finale dei prodotti di rifiuto provenienti dalla terra e trasportati dalle acque. Negli ultimi anni gli effetti dei getti di quantità di moto, getti di densità, correnti, stratificazioni, etc. sui processi di mescolamento e trasporto hanno ricevuto un’attenzione crescente, talvolta trascurando gli effetti rilevanti che l’azione delle onde svolge in molteplici casi. Infatti, mentre sono ormai innumerevoli gli studi presenti in letteratura sui getti e sulla loro interazione con le correnti, pochi sono i lavori che si occupano dell’interazione tra getti ed onde, nonostante la maggior parte di essi evidenzi l’importanza di un campo di moto ondoso sui processi di diffusione (Mossa, 2004a; Mossa, 20014b)e la necessità di prove sperimentali finalizzate alla corretta interpretazione della dinamica dell’interazione onde-getti, anche al fine di una eventuale conferma della validità dei modelli matematici presenti in letteratura. La tematica è di grande interesse ingegneristico per le tematiche ambientali che coinvolge (Fisher et al., 1979; Wood et al., 1993). È pur vero che nel passato sono stati condotti un certo numero di studi su configurazioni che prevedevano l’interazione dei getti con un campo di moto ondoso, ma essi erano soprattutto limitati alla misurazione delle concentrazioni (ai fini dell’analisi della diluizione). Pertanto, è evidente la necessità di un’analisi di dettaglio relativa a questo campo di moto con l’utilizzo di tecniche e strumentazioni moderne.

Come mostrato da Nepf (2012), la vegetazione acquatica svolge un ruolo fondamentale negli ecosistemi. L’assorbimento delle sostanze nutritive e la produzione di ossigeno ad opera della vegetazione migliora la qualità delle acque (si veda, ad esempio, Wilcock et al., 1999). Inoltre, la capacità potenziale della vegetazione di rimuovere azoto e fosforo è così elevata che alcuni ricercatori consigliano la diffusione delle piantagioni nei corsi d’acqua (Mars et al., 1999).

Le praterie marine costituiscono la base di molte catene alimentari e la vegetazione dei corsi d’acqua favorisce la biodiversità attraverso la creazione di una pluralità di habitat per effetto della eterogeneità del profilo di velocità della corrente (si veda, ad esempio, Kemp et al., 2000). Le paludi e le mangrovie (si veda, a titolo di esempio, la Figura 8) riducono l’erosione, grazie alla loro capacità di attenuare l’effetto delle onde e dei deflussi conseguenti ai temporali; inoltre, la vegetazione rivierasca aumenta la stabilità delle sponde (Pollen & Simon, 2005).

Figura 8a

Figura 8b

Figura 8. Le mangrovie rappresentano un tipico esempio di vegetazione rigida in flussi e specchi d’acqua di valenza ambientale.

Tutti questi benefici effetti sono in qualche modo influenzati dal campo di moto che si genera sia all’interno che in prossimità della zona in presenza di vegetazione. Storicamente la vegetazione acquatica presente nei fiumi è stata considerata solo come una causa di resistenza al moto e, per questa ragione, spesso è stata rimossa per migliorare il deflusso delle acque e ridurre i rischi di inondazioni.

Proprio per le ragioni su esposte, i primi studi di idrodinamica sui campi di moto in presenza di vegetazione avevano come obiettivo principale l’analisi delle resistenze al moto, con un punto di vista strettamente legato ai problemi di progetto e verifica dell’ingegneria idraulica (si veda, per esempio, Ree, 1949). Tuttavia, come osservato in precedenza, la vegetazione provoca benefici effetti di natura ecologica, facendone una parte integrante dei sistemi costieri e fluviali.

Nepf (2012) osserva che la presenza di vegetazione altera il campo di velocità di un flusso a diverse scale, che vanno dal ramo o dallo stelo di una singola pianta a quelle di una comunità di piante di una marcita o una prateria. L’analisi delle strutture di un flusso alle diverse scale è fondamentale per la comprensione di diversi processi. Per esempio, l’assorbimento dei nutrienti da parte di un singolo stelo di una pianta dipende dallo strato limite presente sullo stelo stesso, ossia, in altri termini, dal flusso analizzato alla scala dello stelo. Analogamente, il processo di impollinazione è collegato alle strutture del flusso che si generano intorno ad ogni singolo stigma (si veda, per esempio, Ackerman, 1997). Viceversa, la capacità, per esempio, di una marcita o di una prateria di trattenere o rilasciare sostanze organiche, sedimenti minerali, semi e polline dipende dalle strutture del flusso alla scala delle suddette marcite o praterie (si veda, per esempio, Zong & Nepf, 2011). Inoltre, l’eterogeneità spaziale dei parametri alla scala della chioma della vegetazione può dar luogo a complesse strutture di un flusso. È ciò che, per esempio, si verifica in una rete ramificata di canali in una palude o in un acquitrino, la quale attraversa regioni di vegetazione densa e in larga parte emergente. Mentre le correnti nei canali sono responsabili di gran parte del processo di trasporto, le zone con vegetazione provvedono alla maggior parte delle funzioni dell’ecosistema e all’intrappolamento delle particelle.

Da queste brevi note appare evidente l’importanza dei campi di moto con vegetazione al fondo. Studi indirizzati all’analisi delle correnti di questo tipo sono stati condotti presso diversi enti di ricerca (a tal riguardo, come già scritto, è esaustivo l’articolo di analisi generale e prospettiva della tematica di Nepf, 2012) e, in particolare, in alcune università italiane (si veda, ad esempio, Carollo et al., 2002; Poggi et al., 2004; Armanini et al., 2005; Ben Meftah et al., 2007; Poggi et al., 2009;. Defina & Peruzzo, 2010). Tuttavia, gli studi sui getti interagenti con la vegetazione sono ancora rari in letteratura. Per tale ragione anche presso il laboratorio di idraulica del Politecnico di Bari si conducono studi sui getti di quantità di moto immessi in una corrente trasversale in presenza di vegetazione al fondo (Figura 9). In tali studi la vegetazione è simulata con degli steli rigidi.

Figura 9a

Fihura 9b

Figura 9. Foto del canale del laboratorio con la vegetazione artificiale.

 

 

“Ora ascoltate il suono che separa per sempre il vecchio dal nuovo.”
[Presentazione del cinguettio bip-bip trasmesso dal satellite Sputnik.]
(Annunciatore radiofonico della NBC nella notte del 4 ottobre 1957)
 
“Se siete dalle parti del Golfo, oggi c’è una buona domanda da porsi
ed è questa: Dov’è il petrolio?”
(Brit Hume, conduttore televisivo di FOX News,
deridendo la BP per il disastro dello sversamento di petrolio, 16 maggio 2010)
 
“Mettersi insieme è un inizio.
Restare insieme è un progresso.
Lavorare insieme è un successo.”
(Henry Ford)

 

4    Misurazioni di campo e monitoraggio ambientale, prospettive future e raccomandazioni finali

Nell’ambito della salvaguardia dell’ambiente, oltre ai modelli fisici di cui si è dato qualche cenno in precedenza, è fondamentale anche il monitoraggio di campo. Infatti, per quanto sia noto che la sperimentazione in situ presenti difficoltà in un certo qual modo diverse e maggiori rispetto alla sperimentazione in laboratorio o alle simulazioni numeriche, essa è tuttavia in grado di fornire uno scenario realistico di un campo di moto e di un processo di dispersione.

Un esempio è rappresentato dal monitoraggio di un sistema di scarico a mare, il quale è parte integrante e fondamentale di ogni sistema di trattamento delle acque reflue con recapito finale in mare. La progettazione di un impianto di trattamento e scarico delle acque reflue deve tenere in debita considerazione l’uso a cui è destinato il corpo idrico recettore, i valori dei parametri fisico-chimici da rispettate ai fini della salvaguardia dell’uso stesso e la qualità delle acque del corpo idrico recettore. Per ulteriori dettagli si veda Mossa (2006) e De Serio et al. (2007).

Il recente grave disastro nel Golfo del Messico, dovuto all’esplosione di un pozzo per l’estrazione di petrolio, ha causato una catastrofe ambientale. Infatti, sulla superficie del mare si formò una chiazza nera di petrolio la cui dimensione cresceva di giorno in giorno e che andava inesorabilmente alla deriva verso la costa della Louisiana. Per dimensioni e conseguenze, il disastro nel Golfo del Messico può competere con altri gravi incidenti del passato (come quello della Exxon Valdez nel 1989, che provocò uno sversamento di 41,3 milioni di litri di petrolio, e quello di Santa Barbara, in California, con uno sversamento di 15,9 milioni di litri di petrolio). Purtroppo, molti altri disastri di questo tipo sono accaduti e continuano ad accadere in tutto il mondo.

Come riportato nell’editoriale del n. 3 del 2010 di Hydrolink (Mossa, 2010), l’incidente del Golfo del Messico potrebbe dare un impulso all’attuazione di una nuova politica energetica, che deve necessariamente salvaguardare l’ambiente ed essere razionale e pragmatica. Molti sono i quesiti che è necessario porsi in considerazione del fatto che le attività di ricerca dei giacimenti di petrolio e gas sono in continuo aumento e i punti di estrazione in mare aperto (a profondità anche superiore a 300 m) sono presenti in diverse regioni del mondo. Si pensi, per esempio, al Mar del Nord, alle zone di mare al largo delle coste dell’Africa occidentale e del Brasile, le quali, dunque, sono minacciate da un disastro simile a quello del Golfo del Messico.

La comunità scientifica è concorde nel ritenere che a breve verrà raggiunto il picco della produzione di petrolio. Per quanto sia complesso dare una data certa su questo punto, le stime scientifiche più accreditate indicano che questo picco potrebbe verificarsi tra il 2010 e il 2020. Attualmente siamo di fronte ad una svolta epocale simile a quella vissuta dall’umanità quando si ebbe la consapevolezza che il nostro pianeta non è né piatto, né infinito. Di fatto, nella fiduciosa attesa che nuove fonti energetiche possano un giorno definitivamente sostituire i combustibili fossili, attualmente le compagnie petrolifere stanno “raschiando il fondo del barile”, eseguendo perforazioni in mare aperto a profondità sempre maggiori e sempre più pericolose per l’ambiente. E’ stato stimato che nel 2007 la produzione di petrolio proveniente da installazioni a profondità maggiori di 800 metri è stata circa il 70% della produzione totale. L’industria petrolifera prevede di estendere le attività di esplorazione e produzione fino a profondità di 3000 m, al fine di aumentare l’estrazione potenziale di petrolio e gas. Tuttavia, come il recente disastro nel Golfo del Messico ha evidenziato, è necessario tenere in debita considerazione tutti i problemi connessi col processo di estrazione a grandi profondità.

In altre parole, è necessario considerare la questione sotto ogni punto di vista. In tal senso le attività di monitoraggio del petrolio sversato in mare e le relative simulazioni numeriche sono un valido ausilio per gli enti preposti alla salvaguardia delle coste.

Proprio su questa tematica, è in corso un’attività di ricerca e cooperazione che coinvolge la comunità scientifica degli Idraulici e dei Fisici per la messa a punto del monitoraggio satellitare. A tal riguardo, il lavoro di De Carolis et al. (2012) è un esempio di come possa essere fruttuosa una simile cooperazione. In sintesi, il lavoro richiamato presenta delle immagini satellitari ottenute nella regione dell’infrarosso vicino (NIR), le quali mostrano il processo di sversamento di petrolio dovuto al naufragio della Fu Shan Hai il 31 maggio 2003 nella zona di mare tra la costa svedese e quella danese (si veda un esempio in Figura 10).

fig 10

Figura 1o. Immagine MODIS/Aqua (MYD), banda 2, acquisita il 3 giugno 2003 alle 11:20.

Queste immagini sono state confrontate con i risultati di una simulazione numerica del processo di trasporto della chiazza di petrolio (si veda la Figura 11).

fig 11

Figura 11. Sovrapposizione delle chiazze di petrolio osservate dal MYD (in rosso) e simulate dal modello numerico (in verde) il 3 giugno 2003.

Per ulteriori dettagli si rimanda a De Carolis et al. (2012).

In considerazione dei risultati brevemente descritti in precedenza, è prevedibile che le tecnologie satellitari possano riscuotere un interesse crescente ai fini della salvaguardia dell’ambiente. Ciò spiega l’importanza di un loro ulteriore sviluppo, il quale porterebbe alla realizzazione di sistemi di monitoraggio impensabili nel recente passato.

A tal proposito si pensi alle potenzialità del sistema satellitare COSMO-SkyMed (COnstellation of small Satellites for Mediterranean basin Observation, ossia costellazione di satelliti di piccole dimensioni per l’osservazione del bacino del Mediterraneo), che rappresenta il più grande e recente investimento italiano nei Sistemi Spaziali per l’Osservazione della Terra, commissionato e finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e dal Ministero della Difesa (MoD) italiano. Come spesso accade per sistemi di questo tipo, è stato inizialmente concepito come un Sistema di Osservazione della Terra da utente a utente (end-to-end) con duplice uso (civile e militare), finalizzato a un servizio globale di fornitura di dati, prodotti e attività conformi a consolidati standard internazionali relativi a una vasta gamma di applicazioni (quali la Gestione del Rischio, le Applicazioni Scientifiche e Commerciali e le Applicazioni per la Difesa e per l’Intelligence).

Il sistema è costituito da una costellazione di quattro satelliti di medie dimensioni su orbita terrestre bassa, tutti dotati di un radar ad apertura sintetica (SAR, Synthetic Aperture Radar), multimodale, ad alta risoluzione, operante sulla banda X e dotato di strumentazione di acquisizione e trasmissione dati particolarmente flessibile e innovativa. Alcuni esempi delle potenziali applicazioni sono le seguenti:

1) Prevenzione e gestione dei disastri ambientali (utile per condurre studi sulle cause e sui fenomeni precursori dei disastri ambientali e per migliorare la capacità di monitoraggio e valutazione dei danni in caso di frane, alluvioni, terremoti ed eruzioni vulcaniche).

2) Controllo degli oceani e delle coste (utile per rilevare in modo continuo e accurato lo stato delle coste, dei mari e delle acque interne ai fini della valutazione dell’erosione costiera e dell’inquinamento; si veda la Figura 11 a titolo di esempio).

3) Controllo delle risorse agricole e forestali (utile per migliorare la classificazione del suolo e il monitoraggio delle colture durante il ciclo di crescita, al fine di ottimizzarne la resa).

4) Controllo degli edifici (le immagini ad alta risoluzione spaziale e temporale del nuovo sistema satellitare forniscono un potente strumento per monitorare la presenza di nuovi insediamenti od opere e per controllare cedimenti o collassi strutturali).

5) Mappatura (utile per la realizzazione con elevata precisione di modelli digitali tridimensionali dei terreni aventi varie applicazioni).

figura 12

Figura 12. L’immagine si riferisce al Lago di Maracaibo (Venezuela). A differenza dei satelliti ottici, l’immagine radar mostra particolarmente bene le strutture metalliche (i punti visibili nell’immagine), rivelando la miriade di piattaforme petrolifere nel lago. [Per gentile concessione dell’ASI]

Questa breve nota ha lo scopo principale di evidenziare l’importanza della ricerca nel campo dell’Idraulica ai fini della salvaguardia dell’ambiente. In particolare, sono stati presentati alcuni tipici flussi di valenza ambientale e alcuni casi di studio condotti dal gruppo di ricerca di Idraulica del Politecnico di Bari, evidenziando possibili correlazioni con ricerche analoghe a livello internazionale.

Questo branca della ricerca è di sicuro interesse ai fini della corretta conoscenza del destino delle acque reflue immesse nei mari o nei fiumi. A tal fine, è importante osservare che il corpo idrico recettore (spesso si tratta di un sistema di grande rilievo ambientale) non è sempre in condizioni statiche, come talvolta si assume in letteratura (cosiddetto scenario convenzionale); infatti, esso è spesso caratterizzato dalla presenza di onde, correnti, vegetazione al fondo, fondale ondulato, etc.

Una conoscenza più approfondita dei flussi complessi a valenza ambientale deve essere perseguita per finalità sia di natura scientifica che tecnico-ingegneristica. In conclusione, la crescente pressione antropica sulle risorse idriche in tutto il mondo richiede un rinnovamento e una reinvenzione dell’ingegneria idraulica. La ricerca nel campo dell’Idraulica avverrà sempre più in collaborazione con gli esperti di tematiche ecologiche e ambientali, in considerazione della pressante esigenza di fornire delle risposte alla gestione e protezione delle risorse naturali.

I vari problemi di cui si è dato cenno in questa nota richiedono ancora approfondimenti e ulteriori analisi a diverse scale e con l’utilizzo di vari “approcci”. È possibile prevedere che quest’area di ricerca vedrà crescere l’interesse di molti scienziati, i quali potranno contare su nuove interessanti tecnologie nel prossimo futuro.

A tal riguardo, è forte la raccomandazione ad impegnarsi sempre più in queste tematiche, con un approccio in cui si consideri ovvia la collaborazione tra fisica, geologia, geomorfologia, ricerca sull’erosione delle coste, ecologia, biologia, fisiologia vegetale, etc. In futuro i gruppi di ricerca che riusciranno a integrarsi e a cooperare, superando i vecchi steccati e le vecchie visioni di chiusura di ciascun’area, avranno maggiori opportunità di successo negli obiettivi da perseguire. Nella consapevolezza che non è più tempo di una sterile competizione tra settori scientifici, diviene fondamentale svolgere le attività di ricerca con l’affascinante obiettivo di proteggere questa piccola astronave che è il nostro pianeta Terra.

Avvertenza: La presente nota è una sintesi della lettura presentata dall’autore durante il XXXIII Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, tenutosi presso l’Università di Brescia dal 10 al 15 settembre 2012. L’autore ringrazia tutti i colleghi, i ricercatori, i tecnici del Laboratorio di Ingegneria Costiera e del Laboratorio di Idraulica del Politecnico di Bari, che, con modalità ed entità diverse, ma sempre offrendo un prezioso aiuto, hanno dato un contributo alle attività di ricerca accennate. Le loro competenze eterogenee confermano che gli studi condotti su un sistema complesso come l’ambiente necessitano della collaborazione di differenti gruppi di ricerca.

 

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