Sviluppata una comprensione delle dinamiche dell’interfaccia olio-acqua basata sulla turbolenza di Rayleigh-Taylor che fa luce sull’efficienza della biodegradazione nelle fuoriuscite di petrolio
Una stratificazione di densità instabile tra due fluidi si mescola spontaneamente sotto l'effetto della gravità, un fenomeno noto come turbolenza di Rayleigh-Taylor (RT). Se i due fluidi sono immiscibili, ad esempio olio e acqua, la tensione superficiale impedisce la mescolanza a livello molecolare. Tuttavia, la turbolenza frammenta un fluido nell'altro, generando un'emulsione in cui la dimensione tipica delle goccioline diminuisce nel tempo a causa della competizione tra l'energia cinetica crescente e la densità di energia superficiale. Anche se la prima teoria fenomenologica che descrive questo processo di emulsione risale a molti anni fa, è rimasta sfuggente alla verifica sperimentale, ostacolando la nostra capacità di prevedere il destino del petrolio in applicazioni come le fuoriuscite in acque profonde.
La biodegradazione microbica del petrolio è il principale metodo di rimozione dall'oceano in caso di incidenti con fuoriuscita di petrolio in mare (“oil spills"), come quello causato dalla piattaforma Deepwater Horizon nel 2010. L'efficacia del processo di biodegradazione dipende da molti fattori, uno dei quali è la dimensione delle gocce di petrolio.
Nel lavoro “Immiscible Rayleigh-Taylor turbulence: Implications for bacterial degradation in oil spills”, pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) (1), un team di ricerca di cui fa parte il professor Guido Boffetta (2) del Dipartimento di Fisica dell’Università di Torino ha studiato come la turbolenza di fluidi immiscibili può favorire la formazione di gocce sempre più piccole, accelerando il processo di biodegradazione.
Una stratificazione di densità instabile tra due fluidi si mescola spontaneamente sotto l'effetto della gravità, un fenomeno noto come turbolenza di Rayleigh-Taylor (RT). Se i due fluidi sono immiscibili, ad esempio petrolio e acqua, la tensione superficiale impedisce la miscelazione a livello molecolare. Tuttavia, la turbolenza frammenta un fluido nell'altro, generando un'emulsione in cui la dimensione tipica delle gocce diminuisce nel tempo a causa della competizione tra l'energia cinetica crescente e la densità di energia superficiale.
I batteri marini che “mangiano" il petrolio non possono penetrare all'interno delle gocce, in quanto necessitano di ossigeno e quindi colonizzano la superficie della goccia. Pertanto l'efficienza del processo dipende dall'interfaccia petrolio-acqua disponibile. Gli esperimenti e le simulazioni della collaborazione hanno mostrato in modo coerente che la dinamica turbolenta produce gocce sempre più piccole e quindi, aumentando la superficie di interfaccia, favorisce l'efficienza dei processi di biodegradazione delle oil spills da parte dei batteri.
«Anche se la prima teoria fenomenologica che descrive questo processo di miscelamento è stata derivata molti anni fa, è rimasta sfuggente alla verifica numerica e sperimentale, ostacolando la nostra capacità di prevedere in modo preciso la dinamica in applicazioni come gli sversamenti in acque profonde. Qui forniamo la prima verifica sperimentale e numerica della teoria della turbolenza immiscibile RT, svelando le proprietà dello stato turbolento che si origina all'interfaccia olio-acqua» - dichiara il professor Boffetta.
La ricerca è stata condotta grazie a una collaborazione tra le Università di Torino e Genova, l'OIST di Okinawa per le simulazioni numeriche e l'ETH di Zurigo per quanto riguarda gli esperimenti di laboratorio. I risultati hanno implicazioni di ampio respiro per la comprensione generale della miscelazione di fluidi immiscibili, che vede applicazioni in molti campi della fisica e dell’ingegneria.
Riferimenti:
(1) Immiscible Rayleigh–Taylor turbulence: Implications for bacterial degradation in oil spills
(2) Guido Boffetta
Foto di Dennis Larsen da Pixabay
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