Qualche tempo fa, durante una lezione di fisica, una studentessa sollevò un problema:

A casa ho il forno a microonde e ho cercato di usarlo per preparare il tè. Metto un bicchiere d'acqua nel forno e lo accendo. Dopo poco tempo l'acqua bolle visibilmente. Ma, quando tiro fuori il bicchiere per preparare il tè, mi accorgo che l'acqua si raffredda molto rapidamente ed è subito tiepida.

Perché l'acqua bollente preparata con il forno a microonde si raffredda prima?

Stavamo appunto discutendo del funzionamento del forno a microonde. Avevo raccontato come le molecole d'acqua -- ma questo lo sapevano già dalle lezioni di chimica -- siano polari, cioè, pur essendo complessivamente neutre dal punto di vista elettrico, presentino un eccesso di carica positiva a un estremo e uno di carica negativa all'altro. Il forno genera un campo elettrico oscillante con una frequenza di circa 1 GHz (1 gigahertz, un miliardo di oscillazioni al secondo): in tale campo le molecole d'acqua tendono a oscillare anch'esse, ma interagendo le une con le altre trasformano rapidamente quelle oscillazioni in moti disordinati che si traducono in un aumento di temperatura. Questo gli studenti che avevo davanti erano preparati a capirlo, almeno in teoria. Ecco però che si presentava un fatto singolare -- il rapido raffreddamento dell'acqua che era stata scaldata altrettanto rapidamente -- che li spingeva a tentare di ragionare secondo analogie fantasiose, non più legate a ciò che avevano imparato. Forse, proponeva qualcuno, l'acqua si raffreddava in fretta perché era stata scaldata in fretta. Ma naturalmente una "regola" del genere nessuno era in grado di giustificarla con un meccanismo fisico...

Sono stato così fortunato, dal punto di vista didattico, da capire quale fosse la soluzione. Non avevo mai osservato direttamente il fenomeno, ma sapevo che l'acqua calda è acqua calda, e si raffredda allo stesso modo qualsiasi sia la tecnica adoperata per riscaldarla. Ma sapevo anche che la velocità di raffreddamento dipende da altri fattori: ad esempio, da quanta acqua fosse stata in effetti scaldata...

Ho fatto un disegno alla lavagna e ho chiesto alla studentessa se esso riproducesse la situazione con le corrette proporzioni. In particolare, mi premeva sapere se il centro del forno coincidesse con gli strati superiori dell'acqua nel bicchiere. In effetti era proprio così.

Ecco allora cosa è successo, ho concluso trionfante. Le oscillazioni del campo elettrico si concentrano al centro del forno, quindi le molecole d'acqua che si trovano in alto si scaldano rapidamente e gli strati superiori arrivano subito all'ebollizione. Quelli inferiori, però, restano relativamente freddi. Quando tiriamo fuori il bicchiere e immergiamo la bustina del tè, i movimenti rimescolano l'acqua e la portano alla temperatura media, che risulta appena tiepida... Gli studenti erano impressionati. Vuoi vedere che la fisica riesce davvero a spiegare qualcosa?

La chiave del problema è che in questo caso il riscaldamento avviene dall'alto. Quando riscaldiamo l'acqua con un fornello a gas, il riscaldamento avviene dal basso e questo innesca un meccanismo decisivo chiamato convezione. Gli strati di acqua più caldi si espandono e sono di conseguenza meno densi. Tendono perciò a galleggiare e salgono verso la superficie. Gli strati superiori più freddi sono più densi e tendono nel frattempo ad affondare. Questo è il principio di Archimede, noto a tutti. Si stabiliscono così dei moti circolari all'interno dell'acqua, che la rimescolano mantenendo i diversi strati più o meno alla stessa temperatura. Il fenomeno è sfruttato anche nel riscaldamento casalingo, come potete vedere in questo video:

Se scaldiamo un fluido dall'alto, gli strati meno densi sono già in alto e quelli più densi in basso. C'è equilibrio meccanico, perché chi deve galleggiare galleggia già. Non si creano i moti convettivi e l'acqua non si rimescola. Ottenete un po' di acqua calda sopra e un po' di acqua fredda sotto. Ovvero: acqua tiepida.

I moti convettivi sono ben noti e sono importanti in tutte le situazioni in cui un fluido è scaldato dal di sotto. Una di queste si produce all'interno della Terra, dove le rocce fuse del mantello sono scaldate dal calore radioattivo proveniente dal nucleo sottostante. È il moto di rimescolamento che ne consegue ad aprire fratture nella crosta -- in particolare lungo la Dorsale Medio Atlantica -- e a spostare le zolle tettoniche provocando il fenomeno della deriva dei continenti. Anche la circolazione delle masse d'aria nell'atmosfera è un fenomeno convettivo, legato al fatto che l'atmosfera è appunto scaldata dal basso, dal suolo che assorbe gran parte della radiazione solare e perciò si scalda a sua volta.

Anche se la convezione è un fenomeno conosciuto da molto tempo, esiste una parte della fisica moderna, lo studio delle strutture dissipative e dei fenomeni di organizzazione spontanea, nel quale ha un'importanza notevole un fenomeno legato ad essa. Si tratta delle celle di Bénard, un reticolo di strutture regolari che si forma spontaneamente alla superficie di uno strato sottile di fluido scaldato dal di sotto. Ecco due immagini di questo processo:

Ma cosa succede quando non c'è un "sotto" e un "sopra"? Noi tutti sappiamo chi stabilisce la differenza fra il basso e l'alto: è la forza di gravità, naturalmente. Cosa succede in assenza di gravità?

Non si tratta di una questione accademica. Gli astronauti che vivono e lavorano nella ISS, la Stazione Spaziale Internazionale che orbita intorno alla Terra a un'altitudine media di 370 km, si trovano appunto in una condizione di assenza effettiva di gravità. Li abbiamo visti tante volte galleggiare liberamente come se fossero privi di peso. Anche se tale condizione può sembrare piacevole, essa comporta in realtà moltissimi problemi. Uno di essi è quello che succede durante il sonno.

Gli astronauti non vanno a letto, perché in assenza di gravità la cosa è inutile. Si allacciano a delle cinghe che evitano loro di fluttuare pericolosamente mentre dormono. Però, in assenza di gravità, non ci sono nemmeno i moti convettivi. L'aria non circola spontaneamente, come fa qui al suolo senza che noi neppure ci pensiamo. L'anidride carbonica espirata da un astronauta addormentato non va da nessuna parte da sola, e resterebbe accanto al volto, portando lentamente all'asfissia l'astronauta. Perciò, quando un astronauta va a dormire, deve stare attento a disporre di un meccanismo di circolazione forzata dell'aria. Un ventilatore, insomma.

Pensateci, la prossima volta che vi rannicchiate sotto le coperte...

Per approfondire:

Una simulazione dei moti convettivi nel mantello terrestre

Una discussione delle celle di Bénard

Il podcast di una tavola rotonda sui viaggi spaziali al Festival della Scienza di Roma del 2009