Si possono prevedere i guasti di internet?

Per sapere quando usare i cubetti di ghiaccio che abbiamo in freezer non ci interessa come e perché l’acqua congela a zero gradi. Basta sapere se sono più caldi o più freddi di zero perché sappiamo che, al di sotto di quel punto critica, l’acqua è instabile e basta una minima spintarella perché congeli.

Anche l’infrastruttura di internet è una complicata rete di parti che interagiscono tra loro, un po’ come molecole d’acqua. E, come per l’acqua, anche per internet ci piacerebbe capire semplicemente in che stato è. Secondo uno studio pubblicato su Nature, per tutte le reti (internet, reti elettriche o addirittura interi ecosistemi) si può trovare una grandezza, una specie di “temperatura”, che ci dice quando diventano instabili.

nature_network

Credit: Nature publishing group

La figura qui sopra mostra l’idea di base: una “funzione di resilienza” raccoglie l’informazione sui rapporti tra le componenti del sistema: chi trasmette o riceve nella rete internet, impollinatori e fiori in un ecosistema, generatori e utenti di una rete elettrica. La funzione dipende da un unico parametro (quel βeff), la “temperatura” del sistema. Conoscendo questa funzione si capisce, indipendentemente dai dettagli, il punto critico della rete, come facciamo con la temperatura dell’acqua.

Il valore della “temperatura” dipende dalla topologia della rete—ovvero chi è collegato (e quanto strettamente) con chi— e cambia aggiungendo o togliendo elementi. Ieri, ad esempio, alcuni nodi TIM si sono guastati, cambiando la topologia della rete e la sua “temperatura” oltre il punto critico, causando il collasso.

Con questo metodo si potrebbero prevedere le condizioni in cui la rete crolla, e come renderla strutturalmente più stabile. Secondo i ricercatori, le reti più stabili non dipendono da singoli nodi vitali (non proprio una novità), hanno alcuni nodi molto connessi e altri meno, e hanno interazioni reciproche piuttosto che gerarchiche.

Non è che ora possiamo andare in giro a prevedere qualsiasi cosa, o che abbiamo risolto i blackout di internet. Anzitutto, anche se il sistema funzionasse, alcune modifiche strutturali sono impossibili o irragionevoli. Poi non è detto che funzioni sempre: questo è un lavoro teorico, che va ancora testato. Sembra andar bene nelle reti studiate nell’articolo, ma potrebbe non funzionare con altre.

 

Foto copertina: internet down 🙁, CC-BY-NC Kirk Lau, via Flickr. Some rights reserved.

L’incredibile materiale che estrae acqua dal nulla

Ricercatori di Harvard hanno sviluppato un materiale che, senza reazioni chimiche speciali, raccoglie umidità dall’aria. Usa solo geometrie prese in prestito da scarafaggi, cactus e una pianta carnivora.

Spesso i materiali innovativi si ispirano a geniali soluzioni naturali, ma di solito imitano una caratteristica sola.

Joanna Aizenberg dice che il suo team ha preso un’altra strada: “La nostra ricerca mostra un approccio complesso, che sposa più specie biologiche per trovare materiali altamente efficienti con proprietà senza precedenti”.

Gobbette come quelle sul dorso di uno scarafaggio del deserto sono perfette per formare goccioline. Posizionando le gobbette a “V”, come le spine dei cactus, si guidano le goccioline dove serve, con l’aiuto di una superficie ultra-scivolosa, come quella che alcune piante carnivore usano per intrappolare insetti.

Il materiale (sinistra) a confronto con una normale superficie liscia. Credit: Aizenberg Lab/Harvard SEAS

Il risultato è un materiale che raccoglie l’umidità con efficienza incredibile, usando solo geometrie e proprietà fisiche.

Le applicazioni potrebbero essere pazzesche. Il materiale può migliorare l’efficienza dei condensatori nelle centrali termiche, riducendo l’inquinamento; in più aiuterà a raccogliere acqua in zone desertiche. Mica male.

 

Nebbia in Val Padana

Da nativo della bassa Pianura Padana, ho una discreta esperienza di nebbia. Solitamente non è un’esperienza piacevole, ma sapere cos’è le dà un po’ di poesia in più.

L’aria calda trattiene più umidità di quella fredda. In altre parole, in aria calda l’acqua rimane in forma di vapore più facilmente.

Quando una massa di aria calda e umida si raffredda rapidamente, l’acqua è costretta a condensarsi in goccioline. Succede all’umidissima aria della nostra doccia calda quando arriva sullo specchio. Succede alla calda aria estiva che sfiora il bicchiere col nostro aperitivo ghiacciato.

sundown

Ma succede anche se l’acqua non ha una superficie su cui condensarsi. In quel caso le goccioline condensate restano sospese nell’aria.

Particolarmente d’inverno, poi, il terreno si può raffreddare rapidamente rispetto all’aria intorno—specie al tramonto, oppure all’alba (col sole che scalda in fretta l’aria). Così l’umidità negli strati d’aria più vicini al suolo si condensa e diventa nebbia. Strato dopo strato, la nebbia sale (sì, sale).

Col passare della giornata, il terreno si scalda e la zona in cui si può formare la nebbia sale di quota. Perciò la nebbia sale quando si forma e per diradarsi.

Alcune zone sono più soggette al fenomeno: quelle con aria umida e poco vento. Se ci avete vissuto, saprete che nei periodi di nebbia è sempre nuvoloso. Il motivo è che quelle nuvole non sono altro che la nebbia risalita.

Infatti la nebbia si forma esattamente come si formano le nuvole: aria calda e umida che si condensa quando si raffredda. Che è il motivo per cui la nebbia mi ha guadagnato in poesia: è una nuvola, solo molto bassa.

Foto: walking the embankment, CC-BY-NC-ND palmasco, via Flickr. Some rights reserved. sundown, CC-BY jenny downing, via Flickr. Some rights reserved.

8 grandi notizie del 2015

Cosa è successo nel fantastico mondo di amorefisico nel 2015? Dai confini del Sistema Solare alle profondità subatomiche, ecco le mie 8 notizie preferite di quest’anno (più una), in un post più lungo del solito. Ma in vacanza abbiamo un po’ più di tempo.

Continue reading

Ogni fiocco di neve è unico

Nessun paesaggio natalizio è completo senza neve. Tanta neve. E ogni fiocco di neve è unico, lo sanno tutti! Ma come fanno ad essere tutti diversi?

La neve non è altro che piccolissimi cristalli di ghiaccio, che si formano nelle nuvole e restano ghiacciati finché non arrivano a terra.

L’acqua forma cristalli di ghiaccio attorno a microscopiche imperfezioni o particelle estranee, come granelli di polvere sospesi nella nuvola. Una volta che il nucleo iniziale del fiocco di neve si forma, microscopiche goccioline di acqua gli si aggiungono rapidamente.

Anche se sono tutti in qualche modo esagonali (per via della geometria delle molecole d’acqua), tutti i fiocchi di neve crescono in condizioni appena appena diverse. Qualcuno ha più goccioline vicino, qualcuno è in una zona una frazione di grado più calda. Tutti i fattori contano: la forma del cristallo è sensibile a tutto.

8324354568_11043caac0_b

CC-BY-NC Julie Falk/Flickr

In pratica, la forma di ogni fiocco di neve dipende dal caso, è come lanciare un dado con infinite facce. Non si sa mai cosa salta fuori e tutti i risultati sono diversi. Se vogliamo fare i fisici pomposi, la loro formazione è un processo stocastico.

Alla fine, ogni fiocco è un’istantanea delle precise condizioni in cui si è formato. Siccome è impossibile averle due volte esattamente identiche, ognuno fotografa una scena un po’ diversa.

Come le fotografie, però, anche i fiocchi di neve vengono bene solo se la scena resta abbastanza ferma. Così, se le condizioni in cui si forma il cristallo non rimangono relativamente costanti, tutto diventa più confuso. Nella maggior parte dei casi, i cristalli si aggregano in fiocchi più grossi, come piccole palle di neve, che si assomigliano di più tra loro.

Diversi o no, distinguere un fiocco dall’altro è comunque difficile.

 

Foto copertina: Snow leopards playing in the snow, CC-BY-ND Tambako The Jaguar, via Flickr. Some rights reserved.

E se l’acqua non fosse arrivata?

Scienziati dell’Università di Glasgow pensano che l’acqua possa non essere mai arrivata qui. Piuttosto, la Terra si sarebbe tenuta quella che ha sempre avuto.

“Per capire da dove viene l’acqua in un corpo celeste, guardiamo ai diversi tipi di idrogeno che contiene.”, dice Lydia Hallis, che guida il progetto. Finora, ad esempio si erano confrontati l’acqua degli oceani con quella di comete ed asteroidi, che sembravano simili.

Analizzando microscopiche tracce d’acqua all’interno di rocce prodotte in un’eruzione vulcanica, però, i ricercatori hanno visto che l’acqua nel profondo della Terra è diversa sia da quella in superficie che da quella delle comete. “La composizione dell’acqua nel Sistema Solare primordiale è molto simile a quella che troviamo in queste rocce ora—aggiunge Hallis—perciò l’idrogeno in superficie è stato modificato”, probabilmente dall’atmosfera.

Se davvero i pianeti potessero nascere con l’acqua sopra, mondi simili al nostro potrebbero non essere così rari.

Foto: Przemysław Sakrajda/unsplash.com

 

 

Mille bolle blu. Ghiacciate.

Nel gelo canadese, un uomo fa una bolla di sapone, che si ghiaccia quasi immediatamente. Siccome è una figata, ci fa un bel video. Chissà se sapeva di tutta la fisica che stava filmando.

Iniziamo dalla cosa più semplice: perché la bolla si ghiaccia per ultima alla base? La risposta è la gravità. Gli strati esterni della bolla scivolano verso il basso, perciò la base ha più acqua da congelare e ci mette di più.

Ma allora perché si ghiaccia a pallini e non dalla cima in giù? Perché il freddo non è tutta la storia: serve un punto di partenza per fare i cristalli di ghiaccio. Se non lo trova, l’acqua rimane liquida anche sotto zero, ma è molto instabile e ghiaccia appena viene disturbata.

La bolla di sapone è piena di molecole di sapone (sorpresa!) sparse un po’ a caso, che fanno da appiglio per iniziare i cristalli di ghiaccio.

Perché la bolla congelata scoppia invece di rimanere lì? Nei commenti, l’autore dice di averla scoppiata lui, ma secondo me bastava aspettare.

Lui ha soffiato l’aria dentro la bolla, quindi la temperatura lì è circa 30 gradi. La pressione è inizialmente quella atmosferica, ma cala rapidamente col raffreddarsi dell’aria. Questo crea una differenza di pressione che sforza moltissimo la superficie irrigidita della bolla che prima o poi collassa.

Tutto questo in meno di trenta secondi. È proprio vero che ogni piccola cosa nasconde grandi meraviglie.

Foto: Frozen, CC-BY-NC-ND Benjamin Lehman, via Flickr. Some rights reserved.

Il bar al termine del Sistema Solare

Secondo uno studio, le comete contengono alcool ed altre molecole organiche. Perciò avrebbero un ruolo ancora più importante nell’origine della vita.

Le comete sono blocchi ghiacciati che risalgono alla formazione del Sistema Solare. Normalmente confinate nella lontanissima Nube di Oort, capita che le loro orbite imprevedibili le portino più vicino al Sole. Quando succede, parte del loro ghiaccio diventa vapore, e viene espulso, formando la distintiva chioma.

Analizzando la cometa Lovejoy, transitata a Gennaio, un team internazionale di astronomi ha trovato acqua, ma anche diverse semplici molecole organiche. Perciò le comete—che si pensa abbiano portato l’acqua sulla Terra—potrebbero aver anche portato altri mattoni fondamentali per la vita: semplici zuccheri e perfino alcool etilico.

“Durante il suo picco di attività, la cometa emetteva ogni secondo tanto alcool quanto ce n’è in almeno 500 bottiglie di vino”, ha detto Nicolas Biver dell’Osservatorio di Parigi, principale autore dello studio—e apparentemente incurante degli stereotipi.

Foto: Sun in my glass, CC-BY-NC-ND Racineur, via Flickr. Some rights reserved.

Acqua su Marte! Ogni tanto

Sapevamo già che, in un passato piuttosto lontano, Marte aveva avuto acqua sulla sua superficie, e forse addirittura oceani. Ma ora siamo sicuri pensiamo che un po’ d’acqua scorre ancora su Marte. Ogni tanto. Più o meno.

Il 28 Settembre la NASA ha dato una grande conferenza stampa, con diretta streaming pubblica, per annunciare di avere le prove di qualcosa che si sospettava da tempo. Scorre acqua su Marte.

Molti ne hanno parlato in diversi già, anche benissimo: da SciShow a diversi articoli sul Post, al sempre ottimo Phil Plait (che aveva previsto quasi perfettamente l’annuncio il giorno prima).

La sonda Mars Reconnaissance Orbiter ha raccolto nel tempo immagini di alcuni pendii dove lunghe strisce scure si allungano e si accorciano col passare delle stagioni.

Siccome assomigliano molto a piccoli rivoli d’acqua, gli scienziati le hanno studiate combinando le eccezionali immagini provenienti dal telescopio HiRISE a bordo della sonda con delle misurazioni spettroscopiche (che misurano varie lunghezze d’onda della luce per determinare la composizione chimica di un materiale).

Il risultato è che queste strisce (chiamate Recurring Slope Lineae, o RSL) hanno tutta l’aria di essere causate dallo scorrere dell’acqua.

Probabilmente più che “acqua” vera e propria, le RSL sono probabilmente qualcosa di molto simile a una fanghiglia. Siccome Marte è molto molto freddo (-63 gradi in media), l’unico modo per l’acqua di rimanere liquida è contenere altissime concentrazioni di sali, che impediscono il congelamento. Il più probabile è il perclorato, che si trova praticamente dappertutto sulla superficie del pianeta, ed è estremamente tossico.

Quindi non illudetevi che queste strisce siano graziosi ruscelletti di montagna. Sembrano molto più piccole valanghe di fango omicida.

E non è affatto chiaro da dove venga l’acqua. Una possibilità è che con l’estate si sciolga parte di uno spesso strato ghiacciato appena sotto la superficie di Marte. Un’altra è che ci siano vere e proprie falde acquifere. Oppure l’acqua viene dall’atmosfera, da cui il perclorato in superficie è capace di assorbirla e fissarla a terra.

Potrà non sembrare molto, ma finora la Terra era l’unico pianeta che conoscevamo con dell’acqua sulla superficie. Questo è un importante passo avanti per capire come funziona l’acqua e il nostro sistema solare.