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Studio delle Condizioni Meteorologiche Marziane nel Pathfinder Site mediante un’Analisi Teorica e Sperimentale di un Modello Numerico di Previsione Atmosferica alla Mesoscala e Sviluppo di un’Interfaccia Software

Informazioni tesi

  Autore: Eleonora Menduni
  Tipo: Tesi di Laurea Magistrale
  Anno: 2010-11
  Università: Università degli Studi di Torino
  Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
  Corso: Matematica
  Relatore: Catterina Dagnino
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 212

Questa tesi è il risultato del lavoro di ricerca e sviluppo svolto presso il laboratorio di Realtà Virtuale del COllaborative System Engineering (COSE) Centre dell'azienda Thales Alenia Space Italia e si inquadra in un contesto di miglioramento delle future tecnologie orientate all'esplorazione spaziale. L'obiettivo del presente lavoro consiste nello studio delle condizioni meteorologiche marziane nella zona del Pathfinder Site (luogo di atterraggio dell'omonimo Lander), attraverso l'analisi teorica e sperimentale di un modello numerico di previsione alla mesoscala. L'applicazione di tale modello nell'ambito della Realtà Virtuale è finalizzata alla simulazione realistica di ambienti spaziali e si rivela utile nella fase di progettazione e di analisi delle missioni. Il modello proposto è stato sviluppato a partire dallo studio e dal confronto di modelli numerici di previsione atmosferica alla mesoscala per ambienti terrestri e marziani e si basa sulle equazioni di governo dei moti atmosferici di Navier-Stokes mediate alla Reynolds. E' stata adottata una parametrizzazione di ordine zero dei termini non lineari, dovuti alla presenza di flussi turbolenti di piccola scala, e la soluzione numerica è stata ottenuta con il metodo Leapfrog alle differenze finite. Per quanto riguarda il processo di inizializzazione (fase di acquisizione e pre-elaborazione delle condizioni al contorno) è stata sviluppata un'interfaccia software che interroga il Mars Climate Database (MCD), il quale contiene informazioni su variabili meteorologiche e composizione atmosferica, ottenute mediante l'interpolazione lineare delle uscite di un modello di circolazione generale (a scala globale). Inoltre l’interfaccia permette di esportare i dati in formati matriciali opportuni per la risoluzione numerica del sistema di previsione proposto. Tale risoluzione avviene tramite l'implementazione di apposite funzioni Matlab. A coronamento di questo studio i risultati ottenuti sono stati confrontati con i dati forniti dal MCD tramite un’analisi sperimentale che ha permesso di verificare l'attendibilità dei dati. Infine tali esiti sono stati visualizzati nell'ambiente di Realtà Virtuale del COSE Centre, tramite un'applicazione volta a simulare tridimensionalmente la direzione e l’intensità dei venti sulla regione studiata.

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Introduzione La Meteorologia è la fisica classica Newtoniana applicata all’atmosfera: il moto obbedisce alla seconda legge di Newton, il calore soddisfa le leggi della termodinamica, e così via. Quando le leggi della fisica sono applicate ad un fluido come l’aria, esse descrivono i processi fisici tipici della meccanica e della dinamica dei fluidi. La meteorologia è, dunque, la meccanica dei fluidi applicata all’atmosfera. L’atmosfera è però un sistema di fluidi estremamente complesso e tale com- plessitàèdovutaalleinnumerevoliinterazioniframoltepliciprocessifisici, che avvengono in luoghi diversi. Per esempio le differenze di temperatura crea- no le differenze di pressione, che guidano i venti, i quali trasportano anche vapore acqueo; quest’ultimo può condensare e rilasciare calore, alterando a sua volta le differenze di temperatura. Ve ne sono tantissimi di questi ‘circoli viziosi’, chiamati più correttamente ‘feedbacks’ e sfortunatamente introduco- no comportamenti non lineari, complicando ulteriormente la situazione. Ciò rende l’atmosfera un sistema dinamico caotico, cioè un sistema che è sì deter- ministico (l’evoluzione futura del sistema dipende solamente dalla sua storia passata), ma anche difficilmente prevedibile, in quanto è molto sensibile alle condizioni iniziali: un errore anche infinitesimo nella conoscenza dello stato del sistema ad un certo istante, può provocare un grande errore nella previ- sione, specie a medio e lungo termine. Tuttavia è anche grazie a questo comportamento caotico e complesso del- l’atmosfera che è possibile l’esistenza di fenomeni così affascinanti, suggestivi e la cui descrizione e comprensione rappresenta un vera sfida per l’uomo: temporali, tornado, uragani, fronti, correnti a getto, precipitazioni; tutti fe- nomeni che più o meno direttamente influenzano la nostra esistenza e che confluiscono nel termine fisico più ampio di ‘turbolenza’, la quale probabil- mente costituisce l’ultimo problema irrisolto della fisica classica. Si racconta che fu chiesto ad Heisenberg, sul letto di morte, che cosa avrebbe chiesto a Dio se ne avesse avuto la possibilità. La sua risposta fu ‘Quando incontrerò Dio gli farò due domande: perché la relatività e perché la turbolenza. Credo proprio che Egli avrà una risposta per la prima’. 14

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