Le Scienze, n. 271

39 Pages·1991·16.2 MB·Italian

Marzo 1991 LE SCIENZE
mo funzionò nel 1984) in favore di mo- Il KH-11 ha inoltre permesso agli Stati della prima portaerei nucleare sovietica,
Numero 271 "--"""- delli più sofisticati. I nuovi satelliti, che Uniti di aumentare considerevolmente il il sistema radar di avvistamento avanza-
Anno XXIV SCIENTIFIC gli Stati Uniti hanno iniziato a lanciare numero di obiettivi sorvegliabili: 20 anni to di Abalakova e i collaudi del bombar-
Volume XLVI AMERICAN nel 1976, sono i KH-11 (KH sta per key fa, quando gli Stati Uniti impiegavano diere strategico Blackjack. I satelliti so-
hole, toppa della serratura): impiegano solamente satelliti che inviavano a terra no inoltre stati impiegati per individuare
sensori a scorrimento di carica (ccD), il materiale fotografico, la quantità di i punti di atterraggio e di partenza per la
dispositivi che traducono i vari livelli di pellicola portata a bordo limitava il nu- fallita missione di recupero degli ostaggi
luminosità in segnali digitali. Questi ven- mero di obiettivi a circa 20 000 (di cui in Iran, per scoprire la fabbrica di armi
gono poi trasmessi, tramite un satellite circa l'80 per cento nel blocco sovietico chimiche di Rabta in Libia e per tenere
ripetitore, alla base ricevente di Fort e in Cina). La tecnologia dei CCD e la sotto controllo gli arsenali nucleari di
Il futuro Belvoir, in Virginia, dove i dati delle im- grande velocità di elaborazione dei se- tutto il mondo.
magini registrati in tempo reale vengono gnali consente oggi ai KH-11 di funzio-
inviati per l'interpretazione al National nare come una telecamera. Gli Stati onostante le sue capacità il KH-11
Photographic Interpretation Center di Uniti possono così tenere sotto controllo N ha due limitazioni significative: il si-
della ricognizione spaziale Washington, gestito dalla Central Intel- 42 000 obiettivi, metà dei quali fuori dai stema ottico funziona efficacemente so-
ligence Agency (CIA), e ad altri servizi paesi del blocco orientale e dalla Cina. lo in luce diurna (per cui non è possibile
di informazione. Al momento sono attivi due KH-11, riprendere immagini dettagliate di not-
La capacità elettro-ottica dei KH-11 in orbita a 250-400 chilometri dalla su- te) né i suoi sensori sono in grado di pe-
ha avuto un impatto enorme sui servizi perficie terrestre e per essi si prevede netrare la copertura nuvolosa, problema
di informazione: la velocità con cui i se- una vita operativa di tre o quattro anni. particolarmente sentito per quanto ri-
gnali digitali vengono inviati a terra fa sì Il primo, lanciato nell'ottobre 1987, do- guarda l'Unione Sovietica e l'Europa
Mentre le superpotenze continuano a lanciare satelliti spia, altre nazioni
che un'immagine sia nelle mani degli vrebbe cessare di funzionare fra poco, orientale, dove molte regioni restano co-
esperti preposti all'interpretazione po- mentre l'altro dovrebbe rimanere attivo perte da nubi per più di due terzi del-
pensano di metterne in orbita di propri, avviando una proliferazione che
chi minuti dopo che il satellite è passato almeno fino alla fine di quest'anno. Mol- l'anno.
sull'obiettivo. Il Presidente degli Stati ti esperti ritengono che questi satelliti, in Una prima soluzione si è trovata nel
renderà più complessa la politica internazionale del prossimo secolo Uniti o il Segretario alla difesa non de- condizioni ideali, siano in grado di risol- dicembre 1988, quando la navetta spa-
vono più attendere per giorni o settima- vere oggetti di 15 centimetri di diametro; ziale Atlantis mise in orbita un satellite,
ne le prove fotografiche di un evento: le dati certi sulle loro prestazioni restano prima chiamato Indigo e poi Lacrosse.
immagini possono essere raccolte, ana- tuttavia per il momento classificati. (Negli Stati Uniti è frequente che le de-
lizzate e inviate sul loro tavolo nell'arco Da quando hanno iniziato a funziona- nominazioni dei programmi militari ven-
di un'ora. re, i KH-11 hanno seguito la costruzione gano modificate per confondere i servizi
di Jeffrey T. Richelson
el corso degli ultimi 30 anni Stati l'entità di una minaccia e di evitare che po e all'interpretazione delle immagini.
Uniti e Unione Sovietica han- un errore di valutazione porti a un con- Per quanto i satelliti di questo tipo for-
N no sfruttato i progressi compiu- flitto armato. In ogni caso la moltitudine nissero eccellenti informazioni sulle for-
ti nella capacità di lancio, nella scienza di occhi e orecchi (amici, nemici o neu- ze strategiche sovietiche e cinesi, come
dei materiali e nell'elettronica a favore trali) in orbita sulle nostre teste avrà ef- per esempio installazioni militari e silos
dei satelliti da ricognizione. Al momen- fetti di ampia portata sulla politica inter- missilistici, i ritardi nel recupero e nel
to i veicoli spaziali che «sciamano» intor- nazionale degli anni a venire. trattamento delle informazioni ne dimi-
no alla Terra in orbita bassa o geosincro- Per quanta tecnologia di sorveglianza nuivano l'utilità in caso di crisi improv-
na sono una ventina. La minore tensione venga impiegata da altri paesi, essa non vise. Basti ricordare come una capsula
tra le superpotenze, la riunificazione raggiungerà comunque il livello di quella recuperata poco prima dell'invasione
della Germania e il crollo del Patto di schierata dagli Stati Uniti. Documenti della Cecoslovacchia da parte delle trup-
Varsavia dovrebbero ragionevolmente non classificati, ossia non sottoposti ad pe sovietiche, avvenuta il 20 agosto
portare a una diminuzione di questa co- alcun vincolo di segretezza, pareri di 1968, non mostrasse alcun segno dell'im-
stellazione di satelliti, ma vari indizi fan- esperti militari e di ex appartenenti ai minente operazione militare. Una se-
no pensare che il loro numero sia desti- servizi segreti rivelano che la ricognizio- conda pellicola, recuperata dopo l'inva-
nato ad aumentare, forse vertiginosa- ne da parte dei satelliti statunitensi, es- sione e recante immagini riprese imme-
mente, nel prossimo decennio. sendo ormai da 30 anni una componente diatamente prima che questa avvenisse,
Una spiegazione parziale può venire stabile e accettata della rete informativa, mostrava invece inequivocabilmente se-
dal fatto che, nonostante la distensione, ha raggiunto un livello tecnologico ele- gni di ammassamento di truppe lungo la
Unione Sovietica e Stati Uniti avranno vatissimo. Gli Stati Uniti investirebbero frontiera. Sono pochi, nell'organizzazio-
ancora bisogno di condurre estese ope- ogni anno cinque miliardi di dollari nella ne per il controllo dei satelliti, ad avere
razioni di ricognizione. Oltre a tenere ricognizione spaziale; si stima che dal dimenticato quell'esperienza.
sotto controllo i progressi tecnologici in 1960, quando fu messo in orbita il primo
campo militare, come pure il rispetto dei satellite da ricognizione fotografica, il impossibilità di ottenere dati tempe-
trattati sugli armamenti, vi sono anche Department of Defense abbia speso 100 L stivi dai satelliti che inviavano a ter-
altri obiettivi. Come dimostrano i recen- miliardi di dollari. ra la pellicola portò gli Stati Uniti a to-
ti avvenimenti nel Golfo Persico, i punti Questi primi satelliti fornivano imma- glierli gradualmente dal servizio (l'ulti-
caldi regionali costituiscono una minac- gini fotografiche; dopo aver ripreso l'o-
cia costante alla pace. Se, da una parte, biettivo, il satellite espelleva la capsula
una nazione dotata di satelliti può impie- contenente la pellicola esposta. Provvi-
garli per individuare i bersagli per le ar- sta di un paracadute che ne frenava la
mi strategiche o per ascoltare dallo spa- discesa, la capsula o toccava terra o ve- Questa immagine radar della baia di San
zio le comunicazioni militari di un nemi- niva recuperata a mezz'aria da un aereo Diego, ripresa da un aereo, simula la ca-
co, dall'altra gli stessi satelliti possono da trasporto dell'Aeronautica militare, pacità dei satelliti spia Lacrosse di gene-
avere una funzione stabilizzante in quan- solitamente un C 130. I tecnici dei servi- rare immagini che assomigliano alle nor-
to consentono di valutare con precisione zi segreti procedevano quindi allo svilup- mali fotografie riprese in luce naturale.
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riali militari iracheni (quali per esempio -ovest di Mosca, in un complesso appar-
IL CLUB DELLA RICOGNIZIO testate chimiche e lanciatori mobili di tenente al GRU, la Direzione centrale
missili), mentre i satelliti SIGINT hanno dei servizi di informazione dello Stato
controllato costantemente i sistemi di di- Maggiore delle forze armate sovietiche.
fesa aerea e le comunicazioni militari. In Esperti nel campo dei satelliti spia so-
effetti, secondo i resoconti giornalistici, vietici ritengono che il GRU abbia im-
pare che proprio le immagini provenien- piegato tali satelliti per osservare conflit-
ti dai satelliti siano state importanti per ti armati in tutto il mondo, tra cui la
USA convincere re Fand dell'Arabia Saudita guerra indo-pachistana, la. guerra dello
ad accettare l'invio di truppe statunitensi Yom Kippur e l'invasione di Grenada da
•
FRANCIA sul suolo saudita. parte degli Stati Uniti. Inoltre, secondo
Gli Stati Uniti hanno anche impiegato quanto indicato dai suoi spostamenti or-
SPAGNA
i satelliti per controllare eventi non mi- bitali, Cosmos 1343, satellite ad alta ri-
litari: nel corso dell'incidente di Cher- soluzione della terza generazione, a-
nobyl, un satellite Vortex che sorveglia- vrebbe ripreso la pista di atterraggio del-
va l'Unione Sovietica occidentale era in la navetta spaziale statunitense a White
grado di intercettare le comunicazione Sands, nel New Mexico, poco prima che
nei due sensi tra le sedi governative, i la terza missione del 1982 si concludesse.
militari e i mezzi di soccorso nel raggio I sovietici hanno anche messo in vendita
CAPACITA di diverse centinaia di chilometri intorno alcune immagini a media risoluzione, tra
DI RICOGNIZIONE al luogo dell'incidente. Combinando le cui quelle di importanti installazioni mi-
comunicazioni intercettate con le foto- litari come la base di Fort Riley nel Kan-
GIÀ POSSEDUTA
grafie ddeell reattore danneggiato e delle sas, lo Strategic Air Command a Omaha
ENTRO 5 ANNI "fL USA operazioni di soccorso riprese da un KH- nel Nebraska e un campo di silos di mis-
-11 gli Stati Uniti sono stati in grado sili balistici intercontinentali.
ENTRO UN DECENNIO
di seguire tempestivamente lo svolgersi Per la maggior parte dell'anno i sovie-
POTENZIALE REPUBBLICA della catastrofe. tici mantengono generalmente in orbita
SUDAFRICANA
BASI DI LANCIO Per esempio gli esperti statunitensi tre satelliti da ricognizione (per lo più del
poterono determinare l'entità dei danni, tipo che invia a terra le pellicole impres-
sk" PRINCIPALI STAZIONI
compreso l'incendio e la completa di- sionate); nei mesi estivi altri due o tre
DI RICEZIONE E CONTROLLO
struzione del reattore a grafite, ben pri- possono essere aggiunti alla flotta per
ma che i sovietici ammettessero la gravi- sfruttare la maggiore durata del giorno.
tà dell'incidente. Inoltre dai dati raccolti I progettisti sovietici, che preferiscono
si poté essere certi che solo uno dei re- avere molti satelliti economici anziché
attori, e non due come indicato inizial- pochi molto sofisticati, hanno previsto
segreti di altri paesi o per ricostruire la Il KH-11 avanzato, erroneamente in- Gli Stati Uniti iniziarono il program- orbita geosincrona il loro primo satellite mente da alcune fonti, si era fuso. per i satelliti che inviano a terra le pelli-
copertura dopo che un nome in codice dicato come KH-12 nei primi resoconti, ma SIGINT nel 1962, quando lanciarono spia elettronico, indicato con il nome in I satelliti da ricognizione hanno anche cole una vita utile variabile tra i 14 e i 44
sia in qualche modo trapelato.) Il La- ha anche, secondo alcune fonti, la capa- in orbita bassa il primo satellite «ferret» codice Rhyolite (e successivamente ride- seguito eventi interni in altre nazioni, in- giorni; i satelliti dotati di sensori per l'in-
crosse funziona in maniera simile a Ma- cità di riprendere immagini nell'infraros- [furetto, nome attribuito alle missioni di nominato Aquacade); da allora hanno clusi i disordini secessionistici ed etnici vio di immagini in tempo reale hanno
gellan, la sonda interplanetaria che sta so: questa tecnologia consente al satelli- questo tipo anche quando sono svolte da lanciato altri quattro Rhyolite, quattro o in Unione Sovietica; grazie a essi è stato invece una durata molto maggiore, su-
cartografando la superficie di Venere. te di effettuare riprese notturne e di ela- aerei spia, N.d.T.]. Per quanto è dato cinque Vortex (un altro tipo di satelliti anche possibile osservare gli avvenimen- periore in genere ai sei mesi.
Invece di riprendere le immagini in luce borarle in falsi colori così da individuare sapere, l'unica missione di questi satelliti SIGINT, in precedenza indicato con il no- ti di Pechino nel periodo che precedette Di conseguenza, per mantenere una
visibile, il Lacrosse invia sull'obiettivo anche dettagli nascosti. Per esempio in era l'intercettazione di segnali radar pro- me in codice Chalet) e due Magnum, e seguì le dimostrazioni di piazza Tien copertura completa per tutto l'anno del-
onde radio che vengono riflesse e quindi questo tipo di immagini è possibile di- venienti dall'Unione Sovietica, dalla Ci- versioni avanzate dei Rhyolite. An Men, superando così il blocco alla le aree più importanti l'Unione Sovietica
captate, analizzate e convertite in imma- stinguere chiaramente la vegetazione ta- na e da altri paesi potenzialmente ostili. Le stazioni riceventi di Pine Gap in circolazione di notizie imposto dal Go- deve lanciare un numero molto superio-
gini dal satellite stesso; questo le tra- gliata e utilizzata a scopo mimetico da Tra gli altri vantaggi, queste intercetta- Australia, Menwith Hill in Gran Breta- verno cinese. re di satelliti che non gli Stati Uniti. Nel
smette poi sotto forma di segnali elettro- quella dell'ambiente circostante. La ri- zioni permettevano agli Stati Uniti di lo- gna e Bad Aibling in Germania hanno Sin dall'inizio dell'era della ricognizio- 1988, per esempio, sono stati lanciati 32
nici alla stazione di White Sands, nel soluzione del sistema non dovrebbe pe- calizzare le stazioni radar e inserirle così consentito ai satelliti geosincroni di te- ne spaziale l'Unione Sovietica è apparsa satelliti da ricognizione fotografica, di
New Mexico, per mezzo di un satellite rò essere significativamente migliore di negli elenchi di obiettivi da distruggere nere sotto costante controllo i segnali in ritardo rispetto agli Stati Uniti quanto cui solo uno in grado di inviare immagini
ripetitore. quella dei precedenti KH-11. o disturbare elettronicamente in caso di provenienti da molte nazioni. Le infor- a tecnologia. Negli ultimi anni però i so- in tempo reale, mentre l'anno successivo
Un'attenta lettura delle notizie appar- Nel febbraio 1990 la navetta spaziale guerra. mazioni raccolte vanno dal traffico di co- vietici hanno compiuto passi in avanti ne sono stati lanciati 31.
se sulla stampa fa pensare che un simile Atlantis ha messo in orbita un secondo Di utilità anche maggiore per la rico- municazioni a mezzo walkie-talkie nel che hanno ridotto il divario. Sino alla Per quanto l'Unione Sovietica abbia
sistema per la produzione di immagini KH-11 avanzato munito di antenne sup- gnizione in tempo di pace si rivelano i corso di esercitazioni militari ai segnali fine del 1982 essi si erano infatti affidati quasi eguagliato, nel campo della rico-
radar abbia probabilmente una risolu- plementari in grado di intercettare co- satelliti SIGINT collocati in orbite geosin- di telemetria relativi ai test missilistici, per le proprie attività di ricognizione gnizione fotografica, le capacità tecno-
zione compresa fra uno e tre metri, ossia municazioni e segnali elettronici, ma crone. La velocità orbitale di questi sa- alle comunicazioni militari, governative unicamente a satelliti che inviavano a logiche statunitensi, vi è ancora un forte
anche di 10 volte superiore alla risoluzio- sembra che non abbia funzionato bene. telliti, posti a oltre 35 000 chilometri di ed economiche. In questo momento la terra le capsule contenenti pellicole im- divario nella capacità di spionaggio elet-
ne di Magellan. I programmi attuali pre- Per questo motivo nello scorso giugno altezza su un qualsiasi punto dell'equa- sorveglianza elettronica del globo è co- pressionate. I satelliti impiegati erano tronico. Nel 1967, cinque anni dopo che
vedono la presenza continua in orbita di sarebbe stato lanciato un rimpiazzo. tore, è uguale alla velocità di rotazione stantemente assicurata da uno o due sia del tipo a grande campo di ripresa sia gli Stati Uniti avevano iniziato a lanciare
almeno due satelliti Lacrosse, e quindi della Terra, cosicché è come se si libras- Vortex e da due Magnum. di quello ad alta risoluzione per la ripre- satelliti ferret, i sovietici cominciarono a
un altro satellite di questo tipo dovrebbe In questo momento dunque gli Stati sero su di un punto fisso. sa di immagini ravvicinate. mettere in orbita bassa satelliti SIGINT,
venire lanciato fra qualche mese. Uniti possono contare su due KH-11, Da un punto di ascolto così privilegia- Combinando la ricognizione fotogra- A partire dal dicembre 1982 i sovietici ad altezze variabili tra i 650 e gli 800
La seconda soluzione agli inconve- due KH-11 avanzati e un Lacrosse. Se- to le antenne del satellite possono inter- `---' fica ed elettronica gli Stati Uniti hanno messo in orbita un numero limi- chilometri. In orbite così basse i satelliti
nienti presentati dai KH-11 si è ottenuta condo un ex funzionario della CIA i pro- cettare segnali provenienti da più di un possono contare su una eccezionale ca- tato di satelliti in grado di fornire dati in non potevano rimanere a lungo a distan-
quando la navetta spaziale Columbia ha grammi futuri prevedono che la flotta di terzo della superficie terrestre e tenere pacità di sorveglianza: durante la guerra tempo reale; come i KH-11, questi satel- za utile dall'obiettivo e quindi la loro
lanciato, nell'agosto 1989, il satellite da satelliti da ricognizione fotografica com- sotto continuo controllo un certo gruppo fredda i satelliti hanno permesso a que- liti, appartenenti alla serie Cosmos, tra- attività era secondaria per la sorveglian-
ricognizione fotografica più sofisticato. prenda almeno tre KH-11 avanzati e due di frequenze o di canali di comunicazio- sto paese di determinare l'entità degli smettono a terra segnali digitali per mez- za delle telecomunicazioni e dei test
Conosciuto negli ambienti dei servizi se- Lacrosse. A completare questa capacità ne. Attraverso una sorveglianza così co- arsenali sovietici, controllare il rispetto zo di satelliti ripetitori in orbita geo- missilistici. La loro missione principale
greti statunitensi come KH-11 avanzato, di sorveglianza vi sono anche i satelliti stante i satelliti geosincroni possono es- dei trattati e individuare tempestiva- sincrona. L'ultima versione è stata mes- era probabilmente l'identificazione e la
questo satellite ha una maggiore dota- da spionaggio elettronico (detti anche si- sere testimoni preziosi di eventi inattesi mente movimenti di forze militari. Più sa in orbita nel 1989; si tratta del Co- localizzazione di sistemi radar, inclusi
zione di propellente, cosicché può sfug- G1NT, da signal intelligence) progettati e che si esauriscono rapidamente, quali di recente, notizie apparse sulla stampa smos 2007, lanciato in marzo, e del Co- quelli coperti dal Trattato sulla limita-
gire più facilmente alle armi antisatellite per intercettare una ampia gamma di se- per esempio i test missilistici, che durano indicano che i satelliti da ricognizione smos 2049, lanciato in novembre. La zione dei sistemi antimissile del 1972.
e modificare la propria orbita per ripren- gnali emessi da paesi stranieri, da comu- al massimo 20 o 30 minuti. fotografica hanno tenuto sotto osserva- principale stazione ricevente potrebbe Oggi i sovietici hanno una flotta di sei
dere un maggior numero di obiettivi. nicazioni militari a dati di telemetria. Nel 1970 gli Stati Uniti lanciarono in zione i movimenti di truppe e di mate- trovarsi a Vatutinki, 50 chilometri a sud- satelliti SIGINT in orbita bassa.
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di armi chimiche nei pressi di Rabta, in TAPPE FONDAMENTALI NELLA STORIA DELLA RICOGNIZIONE SPAZIALE
Libia. Una ricognizione assidua aiuterà

a individuare queste installazioni prima PAESE ANNO NOME DESCRIZIONE Il
che possano diventare operative.
1960 Corona' Primo satellite da ricognizione fotografica operativo.
Con il diminuire della tensione, Stati Disco verer 14 La capsula contenente la pellicola esposta fu
Uniti e Unione Sovietica hanno iniziato felicemente recuperata a mezz'aria da un aereo.
db
a scambiarsi parte delle informazioni "—URSS 1962 Cosmos 4 Primo satellite sovietico da ricognizione fotografica.
raccolte dai propri sistemi di ricognizio- A partire dal 1965, l'Unione Sovietica iniziò
ne. Nel 1989. per esempio, gli Stati Uniti a lanciare satelliti Cosmos con regolarità quasi
hanno informato i sovietici che un'im- cronometrica e attualmente ha da tre a sei satelliti
costantemente in funzione.
magine ripresa da un KH-11 dimostrava
l'esistenza di un nuovo reattore nucleare 515A 1962 «Forret», . . Satelliti in orbita bassa per l'intercettazione di segnaillill
nelle vicinanze di Pyongyang, nella Co- 11~ elettronici al fine di controllare i sistemi radar stranieri.
rea del Nord, e ne hanno indicato le esat- URSS 1967 Cosmos 148 Satellite per l'intercettazione di segnali elettronici simile
te coordinate geografiche, permettendo ai ferret statunitensi.
così ai satelliti sovietici di fotografarlo. USA 1970 Rhyolite Primo satellite geosincrono per l'intercettazione
Tali strutture nazionali possono infine di segnali elettronici. Da quest'orbita un satellite
1.1»
essere al servizio di un altro importante può controllare un terzo della superficie terrestre.
aspetto della sicurezza internazionale: il CINA 1970 China 1 4 Primo satellite cinese da ricognizione fotografica.- I
monitoraggio della continua degradazio-
ne dell'ambiente terrestre. I satelliti sta- USA KH-11 Satellite dotato di sensori a scorrimento di carica
tunitensi e sovietici saranno in grado per MEIED apnecr hper ednid seorlei 1in5 tceemnptiom reetaril.e immagini di oggetti
esempio di dedicarsi maggiormente al ri-
levamento di chiazze di petrolio. di in- URSS 1982 Cosmos 1426 Satellite da ricognizione fotografica simile al KH-11,
ma con una minore risoluzione.
quinamenti e di danni provocati da disa-
stri naturali quali i terremoti. URSS 1985 Cosmos 1738 Satellite geosincrono per l'intercet ' segnali .
elettronici.
er quanto Stati Uniti e Unione Sovie- USA 1988 Lacrosse Satellite per immagini radar in grado di risolvere oggetti
IS yssatteemll istit artiupneittietonsrie,, caogmisceo inl oT draac iknitnegrm aenddi aDria ttraa R i eslaatyel lSitait seplliiat ee lpei ùs tdazififoinciil ae tle'irnrtae.r cI ertiptaeztiitoonrei adcecie sleergannaol ii ld falu psasrot ed edie dgaltii a ev rveenrdsoarnio. cPamtpioc ad ealblab iraicnoog nseizmiopnree sdpoazmiailnea, tnoo inl dAit tduiamlmenesnioten fi ucnozmiopnrae sseo ttrtoa uunno n eo mtree mine ctorid.ice diverso.
sono rimasti gli unici protagonisti; sin dal ISRAELE 1988 OffeqWYMP Satellite sperimentale costruito con l'aiuto del Sudafrica.
1970 vi ha partecipato anche la Repub-
blica Popolare Cinese, ma con progressi i FRITAALNIACIA 1993 Helios Sil icsutei mlaan cdiio q èu apttrreov issattoe lnlietlil 'darac roi cdoig 1n0iz aionnnei. fotografica
meno costanti. Infatti la Cina non ha an- SPAGNA
cora messo in orbita satelliti per lo spio-
Nel 1985 i sovietici lanciarono il Co- nei collaudi dei nuovi missili balistici lan- litari come pure qualsiasi violazione di naggio elettronico, mentre i sistemi di
smos 1738, il loro primo satellite spia ciati da sottomarini, i Trident D-5, con- trattati che dovesse sfuggire alle ispezio- ricognizione fotografica hanno progredi-
elettronico geosincrono, ben 15 anni do- dotti nel Mare delle Antille, come pure ni in loco. to. seppur lentamente. Le prime imma-
po il primo satellite statunitense di que- le trasmissioni militari legate ai pro- È probabile che entrambe le superpo- gini riprese dai satelliti cinesi risalgono L'Unione Sovietica e in particolare la ottenute con la ricognizione spaziale.
sto tipo. Secondo gli Stati Uniti esso e grammi missilistici e nucleari brasiliani e tenze intendano dedicare maggiore at- al 24 aprile 1970. quando venne immesso sua frontiera con la Cina sono state e L'accesso a un proprio satellite aiutereb-
i suoi successori Cosmos 1961 e Co- argentini. tenzione al problema sempre più grave in orbita bassa un satellite da ricognizio- saranno certamente un obiettivo priori- be inoltre le nazioni allineate a effettua-
della proliferazione degli armamenti:
smos 2054, stazionano sull'emisfero oc- ne fotografica del peso di 160 chilogram- tario della ricognizione cinese; il Viet- re valutazioni più indipendenti della si-
cidentale a 14 gradi di longitudine ovest; onostante il mutare della situazione più spesso si controllano le installazioni mi. Verso la metà degli anni settanta la nam e l'India, in passato avversari di tuazione politica e militare, oltre a con-
apparentemente il complesso di spionag- N mondiale, le due superpotenze con- militari, maggiore è la probabilità di sco- Cina era in grado di mettere in orbita questo paese, saranno anch'essi oggetto ferire un indubbio prestigio nel mondo
gio elettronico di Lourdes, a Cuba, fun- tinueranno a riprendere i silos missilisti- prire qualche cosa di interessante. Tanta satelliti da ricognizione del peso di quasi di attente osservazioni. Altri probabili esclusivo dell'alta tecnologia.
greilepa ebdtoait rosatrraeez,. iionnveia dnid coo anlt rGoRllUo ai steergrnaa eli ddaa caspil,ti rloeen ibanagssgtiai dolli a ebzloeiotmtnrboi anmridcilioeit raci roein. stIoi nsttuaotemerlaalnirtinin odi aea cqsioulasent aadnrogz euann èt Ki pnHeor -C 1e1os enhmda oipnri doIi Ivs,it daputraao tpnort ouenm p meiarit sai-l 4rui5nc0 oK0 u Hcthi-l1iel1o s,g ierasa scmii rmhcaain: unpnoer tu eqgruuzaaonl mtdoi e iqnl utleoe rllolao cc daa-i- oggbiiaaite,o tdt imuveii lpsitaaareramsnin edoni t Aec ufi gig hlraau npCipsiitn adan i h ega uC aeaprmrpigoblgoia-- dle'a Iel stsriagat eepnlalzirteti e dc esolomldam driiecsrofcagiranelii zc niooomnne pp mloetitrlaiemtbabreeen;r toae
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pdai rrtiicceovlearree id soevgrneablib deir ote elesmseerter iian egmraedssoi zimiopnoer tcaonntit ipnruogar desosvi rneeblblee t ericvneollaorgei ei pmiiù- ihnasntanlola pzeior neis:e im spaitoel slictoi pdeergtloi lSat afatib Ubrnicitai zCiionnae hma illaitnacreia; tion 1g2e nseartee lnliotin d sai rèi cvoegrinfii-- aAv-vdi eren ea ninc haelt rini sqeutteosrtio t eccanmoploog, iccoi,m ile s genià- eraszeriocintai,r ed ouvn rceobnbtero clloom dpireettetore s cuollne oaplter-i
cato più di un lancio all'anno, e solo nella tiero tracciato dalle superpotenze. Le clienti per ottenerne l'uso e non potreb-
tarda estate o all'inizio dell'inverno. motivazioni vanno ben oltre la semplice be prevenire direttamente la divulgazio-
Dalle loro orbite i satelliti potevano co- arroganza e sono spesso di ordine prati- ne di notizie relative alle aree di suo
PROLIFERAZIONE DELLA RICOGNIZIONE SPAZIALE prire tutto il mondo eccetto le zone più co: anche le nazioni alleate di una super- interesse.
1960 1975 1 990 sCeatnteandtari eo ndaellil ad eSlcl'aUnndiionnaev iSao.vietica, del preo teesnczluas sivpaemsseon dtee sdiad eqruaensot an poenr duispuefnrduei-- d'aNltae mqumoetan oco gsltii taueisrceoi ndoa urnic'aolgtenrinzaitoivnae
La maggior parte dei satelliti inviava re dei dati raccolti dai satelliti. L'ingres- valida: il diritto al sorvolo da parte di
a terra capsule contenenti le pellicole im- so di Israele nel campo della ricognizio- aerei militari tende a essere un argomen-
pressionate. In un caso, però, le pellicole ne spaziale, per esempio, è dovuto al to politicamente molto delicato e, se non
venivano sviluppate a bordo del satellite disagio provato dai suoi governanti nel autorizzato, può rivelarsi impresa peri-
da apposite apparecchiature e le imma- dover dipendere dalle informazioni pas- colosa dato che molti paesi sono ormai
gini ottenute erano tradotte e inviate a sate dagli Stati Uniti. Secondo il ministro dotati di sofisticati sistemi di insegui-
terra in forma di segnali radio. I servizi ed ex capo di Stato Maggiore israeliano mento e di efficaci armi terra-aria. An-
segreti statunitensi ritengono che la Cina Mordechai Gur, gli Stati Uniti non tra- che dal punto di vista tecnico gli aerei
stia lavorando a un sistema più sofistica- smisero a Israele importanti informazio- presentano alcuni inconvenienti, primo
to che potrebbe essere molto simile al ni prima dello scoppio della guerra dello tra tutti la ridotta area di copertura fo-
satellite commerciale francese SPOT. Il Yom Kippur del 1973; Meir Amit, ex tografica e poi la scarsa autonomia: la
lancio è previsto per i primi anni novanta capo del Mossad (il servizio segreto distanza da coprire per raggiungere al-
e probabilmente le apparecchiature da israeliano), sostenne che il suo paese ri- cuni paesi ne rende rischiosa la ricogni-
ricognizione saranno basate su CCD. ceveva le «briciole» delle informazioni zione. L'aeronautica israeliana, per e-
18 LE SCIENZE n. 271, marzo 1991 SCIENZE n. 271, marzo 1991 19
precise circa la consistenza, la posizione armamenti. Con l'aumentare degli «oc-
e il tipo di unità schierate da Pechino. chi» in giro per lo spazio diventerà quasi
Un eventuale satellite spia indiano po- impossibile evitare che nuovi sistemi
trebbe sorvegliare le basi militari pa- d'arma, installazioni radar o impianti di
kistane , i campi di addestramento che si interesse militare vengano individuati. Auno dei più gravi problemi
sospetta ospitino terroristi e, senza dub- Quando i satelliti in orbita intorno alla che affliggono la civiltà moderna,
bio, gli impianti nucleari di Kahuta. Un Terra erano pochi era possibile, per
altro impiego di questo satellite sarebbe esempio, che una nazione nascondesse i l'INQUINAMENTO ATMOSFERICO,
la designazione dei bersagli per il missile propri aerei segreti o interrompesse le
balistico a medio raggio Agni. proprie esercitazioni una o due volte al è dedicato il quaderno di «Le Scienze»
Nel 1988 si è avuta notizia dello svi- giorno; dovendo tener conto della pre-
luppo di un satellite SIGINT (chiamato in senza di molti satelliti, applicare questo curato da Vincenzo Ferrara,
tipo di stratagemmi diventerebbe costo-
codice Zircon) da parte della Gran Bre-
in edicola e in libreria da febbraio
tagna, satellite che avrebbe dovuto esse- so e decisamente sconveniente. I soli
Stati Uniti, con cinque paia di «occhi» in
Queste immagini da satellite di due caccia sovietici, un MiG-29 (a sinistra) e un SU-27, re posto in orbita geosincrona al di sopra
orbita in ogni momento. imporrebbero
furono presentate nel 1984 a una seduta del Congresso e poi rese pubbliche per errore. dell'Oceano Indiano. Da questa posizio-
ne il satellite avrebbe potuto controllare una pesante limitazione a qualunque na-
la parte orientale dell'Unione Sovietica zione che volesse comportarsi in questo
modo.
e si sarebbe trovato sufficientemente vi-
cino ai satelliti per telecomunicazioni so- Una sorveglianza così estesa renderà
sempio, avrebbe molte difficoltà a con- Minacciato da molti dei suoi vicini e vietici da poterne intercettare parte del più difficile per qualsiasi nazione prepa-
trollare le mosse dei suoi nemici nei pun- scontento del supporto statunitense in traffico. rare una guerra od organizzare un attac-
ti più lontani del Medio Oriente. questo campo, Israele ha intrapreso il All'inizio del 1990 la Germania Fede- co di sorpresa. Supponendo che una na-
suo programma di ricognizione spaziale rale ha annunciato l'avvio di studi desti- zione desideri sinceramente risolvere le
iversi paesi hanno quindi deciso che nel 1988 con il lancio di Offeq 1. Fonti nati a stabilire la necessità di un sistema proprie controversie in maniera pacifica.
D i benefici dell'operazione superano dei servizi segreti statunitensi ritengono di osservazione spaziale. Secondo le au- la ricognizione spaziale potrà fornire la
i costi, che ammontano a centinaia di che Israele abbia sviluppato questo sa- torità tedesche l'obiettivo primario del sicurezza che un altro paese non stia nel
milioni di dollari per un solo satellite. tellite sperimentale in collaborazione sistema sarebbe stato la verifica dell'os- frattempo preparando un attacco. I dati
Molti Governi sono sul punto di unirsi al con la Repubblica Sudafricana. All'ini- servanza dei trattati per la riduzione ottenibili dai satelliti potranno anche ri-
club della ricognizione spaziale o stanno zio di marzo del 1990 Israele ha collocato degli armamenti. Anche con l'avvenuta velare le potenzialità militari di un av-
attentamente considerandone l'oppor- Offeq 2 in un'orbita che va dai 200 chi- unificazione delle due Germanie non ci versario, permettendo così di valutare
tunità. La Francia attualmente sta im- lometri al perigeo ai 1500 chilometri al- dovrebbero essere variazioni di rilievo l'opportunità di schierare nuovi arma-
piegando il sistema SPOT, che è in grado l'apogeo. nel progetto. menti offensivi.
di fornire immagini a colori con una ri- Per quanto fonti ufficiali israeliane ne- Secondo alcune fonti, anche il Giap- I continui miglioramenti dei sistemi di
soluzione di 20 metri e immagini in bian- ghino che questo satellite del peso di 170 pone ha iniziato lo sviluppo di un satel- ricognizione spaziale da parte di Stati
co e nero con una risoluzione di 10 metri. chilogrammi trasporti un qualche siste- lite destinato alla ricognizione militare e Uniti e Unione Sovietica e lo sviluppo di
Per quanto il sistema sia stato progettato ma ottico, è chiaro agli esperti di proble- ambientale che potrebbe essere pronto nuovi sistemi da parte di altre nazioni
per scopi commerciali (geologia, urbani- mi spaziali e di servizi segreti che il sa- per il lancio in una decina d'anni. Brasi- avranno un impatto determinante sulla
stica, agricoltura) l'esercito francese ne tellite è quanto meno un precursore di le, Arabia Saudita e forse Iraq, che han- politica internazionale. Alcuni paesi po-
sfrutta le possibilità nel campo dello un satellite spia. Gli obiettivi della ri- no già un programma di sviluppo di mis- trebbero utilizzarli per condurre la guer-
spionaggio. La Francia avrà comunque cognizione israeliana saranno probabil- sili balistici, potrebbero essere poten- ra, altri per evitarla. Nessuno può pre-
presto un sistema di ricognizione dedica- mente le attività militari nei paesi di tut- zialmente in grado di mettere in orbita i vedere con sicurezza tutti i cambiamenti
to alla raccolta di informazioni chiamato to il Medio Oriente, compresa la costru- propri satelliti spia all'inizio del prossi- che la proliferazione porterà, ed è im-
Helios. zione di un impianto per la produzione mo secolo. possibile sapere oggi se i satelliti spia po-
tranno evitare conflitti militari. La sto-
Helios consisterà di quattro satelliti di armi chimiche in Libia e lo spiegamen-
messi in orbita nell'arco di 10 anni a par- to dei missili CSS-2 in Arabia Saudita. n aumento così consistente dei po- ria sembra però testimoniare come la
tire dal 1993. Secondo gli esperti, questi L'India, che ha già da tempo un nutri- U tenziali sistemi di ricognizione spa- ricognizione spaziale abbia contribuito Sei QUADERNI all'anno.
satelliti ad alta risoluzione, sviluppati to programma spaziale, sarà pronta a im- ziale obbligherà un gran numero di na- a moderare la corsa agli armamenti e, Prezzo di copertina: L. 9000.
con la partecipazione di Spagna e Italia, piegare il proprio veicolo di lancio Polar zioni a modificare la propria politica tutto sommato, a mantenere la pace tra
saranno in grado di risolvere oggetti più nei prossimi anni: la capacità di lancio di estera. Sarà molto più difficile condurre Stati Uniti e Unione Sovietica per 30 In questo numero:
piccoli di un ombrello. questo vettore, circa 3000 chilogrammi al riparo da occhi indiscreti, soprattutto anni. L'atmosfera che cambia di T.E. Graedel e P. J. Crutzen
Jacques Bosquet, responsabile per le in orbita bassa, è adeguata per la messa da quelli dell'avversario, operazioni mi-
armi teleguidate e i programmi spaziali in orbita di un satellite spia. Le immagini litari di vario tipo, comprese quelle per Il grande dibattito sul clima di R.M. White
presso il Ministero della difesa francese prodotte dal satellite risulteranno molto il recupero di ostaggi e altre azioni oggi Il buco nell'ozono sull'Antartide di R.S. Stolarski
ha affermato che le diverse esigenze del- utili all'India, che deve tenere sotto con- considerate giustificabili. Se due nazioni Circolazione globale degli inquinanti atmosferici di R.E. Newell
le tre nazioni metteranno a dura prova trollo due pericolosi vicini, Pakistan e hanno divergenze insanabili, la ricogni-
le possibilità di Helios. La Francia effet- Cina, con i quali ha annose controversie. zione spaziale sarà in grado di aumenta- BIBLIOGRAFIA Il problema delle piogge acide di V.A. Mohnen
tuerà certamente operazioni di ricogni- Nel 1987, per esempio, l'India svolse re l'efficienza con cui potrebbero essere Effetto delle piogge acide sui monumenti di V. Ferrara
zMioendei os uOllrai eGneterm e adneiall 'uAnfirtiac ea s(up epra ertsie dme-l utan oa peesrearzciiotanzei oBnrea sssu Tlaarcgkas s, cparleas,s coh ii acmona-- ctaocncdhoi titser aleel ioapnei raalz rieoanttio bree lnliucchlee.a rGe lOi asit-- SpBacUeR ERsOpWioSn aWgIeL aLnIAd MN aEt.i,o Dnaele Spe Bcularcitky:, La dispersione di inquinanti in atmosfera a scala locale di D. Anfossi, F. Bossa
pio il Ciad) dove ha tradizionalmente fini pakistani. Il Pakistan, incerto sulle rak in Iraq e al quartier generale dell'Or- Random House, 1986. e R. Richiardone
importanti interessi. Il sistema dovrebbe reali intenzioni indiane, ammassò le pro- ganizzazione per la liberazione della Pa- JOHNSON NICHOLAS L., The Soviet Incendi delle foreste e aumento del monossido di carbonio di R.E. Newell,
inoltre fornire informazioni mirate per i prie truppe alla frontiera, minacciando lestina a Tunisi sono stati pianificati con Year in Space 1989, Colorado Springs, H.G. Reichle, Jr., e W. Seller
missili strategici francesi. Oltre a ciò, di tramutare un'esercitazione in una l'aiuto di immagini riprese dallo spazio Teledyne-Brown Engineering, 1990.
Helios contribuirà a una verifica indi- guerra in piena regola. Le informazioni ottenute (secondo notizie riportate dalla KREPON MICHAEL, ZIMMERMAN PE- Inquinamento atmosferico da particelle in sospensione di R.W. Shaw
pendente dell'osservanza dei trattati sul ottenibili da un satellite avrebbero potu- stampa) legalmente e illegalmente dagli TER D., SPECTOR LEONARD S. e UMBER- Particelle sospese e salute di R. Uccelli
dSiosvairemtioc af.i rLm'Iatatil idaa, pSrteaotci cUunpiattia e d Ui nevioitnae- tmoe ftoternndiroe aulnle adlilparlommea tzeime dpeeis tdivueo ,p paeers-i StaDti' aUltnrait pi.arte una proliferazione dei si- tGeEllRi tMesA aRnYd, C Ionmtemrneractiiaoln Oabl sSeercvuatriiotny ,S Sat-. Il controllo dell'inquinamento all'interno degli edifici di A.V. Nero, Jr.,
re attacchi terroristici come l'incidente di risolvere il problema. Analogamente, stemi di ricognizione spaziale potrebbe Martin's Press, 1990. La progettazione delle reti di monitoraggio di V. Ferrara e R. Uccelli
della Achille Lauro, controllerà proba- quando nel 1986 truppe cinesi e indiane avere anche conseguenze positive: sa- RICHELSON JEFFREY, America's Secret Lo stato dell'ambiente in Italia di V. Ferrara
btei,l mmeenntter el en aorne eè caanlcdoer ad eclh Miareod ipoe rO qriueanl-i sroi nfrgo,n nteegllg'Aiarruonnaoc hnaell lPa rvaadlelseh d, iu Snu smatdeol-- rneabsbceo nindfeartet io npoetreavzoiolmnie mntiel iptairùi dei fvfiiocliale- Eteylelist ei nP Srpoagcrea:m th, eH UarSp eKreByuhsoilnee Sssp,y H Saar-- Valutare la qualità dell'ariad i V. Ferrara
scopi la Spagna utilizzerà Helios. lite avrebbe potuto fornire informazioni zioni dei trattati per la riduzione degli perCollins, 1990.
20 LE SCIENZE n. 271, marzo 1991 LE SCIENZE n. 271, marzo 1991 21
La criticità autorganizzata
È una teoria che spiega la dinamica dei grandi sistemi interattivi, dalle
valanghe, ai terremoti, ai mercati finanziari: tutti evolvono verso uno stato
critico in cui anche un piccolo evento può innescare una catastrofe
di Per Bak e Kan Chen
uando avviene una catastrofe, di 1987 uno di noi (Bak), in collaborazione ato che i sistemi compositi hanno
solito gli analisti la imputano a con Kurt A. Wiesenfeld, attualmente al D molte componenti e sono retti da
qualche raro concorso di circo- Georgia Institute of Technology, e con numerose interazioni, gli analisti non
Q
stanze o a qualche combinazione di po- Chao Tang, che lavora all'Institute for possono in alcun modo costruire modelli
derosi meccanismi. Quando uno spaven- Theoretical Physics di Santa Barbara, matematici che siano completamente
toso terremoto si abbatté su San Franci- propose una spiegazione del comporta- realistici e insieme trattabili sotto il pro-
sco, i geologi ricondussero il cataclisma mento dei sistemi compositi, di quei si- filo teorico. Si deve quindi ricorrere a
a un'immensa instabilità lungo la faglia stemi cioè che comprendono milioni e semplici modelli ideali che riflettano le
di San Andreas. Quando nel famoso milioni di elementi interagenti a breve caratteristiche essenziali dei sistemi rea-
«Lunedì nero» del 1987 il mercato azio- distanza. Insieme formulammo la teoria li. Se questi modelli semplici sopportano
nario crollò, gli economisti puntarono il della criticità autorganizzata: molti si- bene certe modificazioni dei parametri,
dito sugli effetti destabilizzanti degli stemi compositi evolvono spontanea- i risultati da essi ottenuti possono essere
scambi gestiti da calcolatore. Quando i mente verso uno stato critico in cui un estrapolati alle situazioni reali. (Questa
reperti fossili rivelarono la repentina evento anche piccolo scatena una reazio- impostazione ha avuto successo nella
estinzione dei dinosauri, i paleontologi ne a catena che può coinvolgere un nu- meccanica statistica dell'equilibrio, dove
la attribuirono all'impatto di una meteo- mero qualunque di elementi del sistema. lo studio di modelli semplici permette di
rite o a un'eruzione vulcanica. Può darsi Benché nei sistemi compositi i piccoli comprendere fenomeni universali in si-
che queste teorie siano corrette, ma certi eventi siano più numerosi delle catastro- stemi con molti gradi di libertà.)
sistemi grandi e complessi come la crosta fi, reazioni a catena di qualunque entità Esiste un sistema in apparenza sempli-
terrestre, il mercato azionario e gli eco- sono parte integrante della dinamica dei ce che può ben rappresentare la criticità
sistemi possono crollare non solo per ef- sistemi stessi. Secondo questa teoria il autorganizzata: un mucchietto di sabbia.
fetto di un urto formidabile, ma anche meccanismo che porta ai piccoli eventi è Alcuni ricercatori hanno simulato al cal-
per la semplice caduta di uno spillo. I identico a quello che scatena i grandi. colatore la dinamica dei mucchietti di
grandi sistemi interattivi si organizzano Inoltre i sistemi compositi non raggiun- sabbia, mentre altri, tra cui Glenn A.
sempre tendendo verso uno stato critico gono mai l'equilibrio, ma evolvono pas- Held e colleghi del Thomas J. Watson
in cui anche un piccolo evento riesce ad sando da uno stato metastabile a un Research Center della IBM hanno effet-
avviare una reazione a catena che può altro. tuato esperimenti. In entrambi i casi so-
condurre a una catastrofe. La criticità autorganizzata è una teoria no emerse le stesse caratteristiche.
In passato gli studiosi analizzavano i olistica: le caratteristiche globali, come Held e collaboratori hanno ideato
grandi sistemi interattivi alla stessa stre- per esempio il numero relativo di eventi un'apparecchiatura che versa la sabbia
gua dei piccoli sistemi ordinati, soprat- grandi e piccoli, non dipendono da mec- lentamente e in modo uniforme, un gra-
tutto perché i metodi formulati per i si- canismi a livello microscopico. Di con- nello alla volta, su una superficie circo-
stemi semplici si erano dimostrati molto seguenza le caratteristiche globali del si- lare piana. In un primo tempo i granelli
efficaci. Si era convinti che il comporta- stema non possono essere spiegate ana- restano vicini alla posizione in cui cado-
mento di un grande sistema interattivo lizzando separatamente le parti del siste- no, poi cominciano a sovrapporsi, for-
potesse essere previsto studiandone se- ma stesso. Per quanto ne sappiamo, la mando un mucchietto dalla lieve pen-
paratamente gli elementi e analizzando- criticità autorganizzata è l'unico modello denza. Ogni tanto, quando in qualche
ne individualmente i meccanismi micro- o descrizione matematica che abbia con- punto del mucchietto la pendenza diven-
scopici. In mancanza di una teoria mi- dotto a una teoria olistica dei sistemi ta eccessiva, i granelli scivolano a valle,
gliore, si ipotizzava che la risposta di un dinamici. producendo una minuscola valanga. Via
grande sistema interattivo fosse propor- Negli ultimi quattro anni diversi espe- via che si aggiunge sabbia e i pendii del Le tessere del domino illustrano la criticità, la subcriticità e la
zionale alle perturbazioni. Si riteneva rimenti e modelli hanno dimostrato che mucchietto si fanno più ripidi, la dimen- supercriticità. Nel sistema critico (in alto) le tessere sono state
che la dinamica di questi sistemi fosse molti sistemi compositi fondamentali in sione media di queste valanghe aumenta collocate casualmente su circa metà dei segmenti di una griglia
descrivibile in termini di uno stato di geologia, economia, biologia e meteoro- e alcuni granelli cominciano a cadere ol- romboidale: quando le tessere della riga inferiore vengono rove-
equilibrio, disturbato di quando in quan- logia manifestano i segni della criticità tre il bordo della superficie circolare. Il sciate, nel sistema si possono osservare reazioni a catena di di-
do da una forza esterna. autorganizzata. Queste scoperte ci han- mucchietto cessa di crescere quando la verse entità. Nel sistema subcritico (in basso a sinistra), nel qua-
Negli ultimi decenni, tuttavia, è risul- no permesso di capire meglio il compor- quantità di sabbia aggiunta è mediamen- le la densità delle tessere è notevolmente inferiore al valore cri-
tato sempre più evidente che molti siste- tamento della crosta terrestre, dei mer- te compensata da quella che cade oltre tico, si hanno reazioni a catena di piccole dimensioni. Nel siste-
mi caotici e complessi non si possono cati azionari, degli ecosistemi e di molti il bordo. A questo punto il sistema ha ma supercritico (a destra), nel quale la densità è molto maggio-
studiare con i metodi tradizionali. Nel altri sistemi compositi. raggiunto lo stato critico. re che nel sistema critico, si nota invece un'esplosione di attività.

22 LE SCIENZE n. 271, marzo 1991 LE SCIENZE n. 271, marzo 1991 23
Quando si aggiunge un granello di Se la forma del mucchietto è tale per Un osservatore che studi una zona 10 000
sabbia a un mucchietto che si trova nello cui la pendenza è inferiore a quella cri- particolare di un mucchietto può identi-
stato critico, esso può innescare una va- tica (stato subcritico), le valanghe sono ficare facilmente i meccanismi che fanno
langa di qualunque dimensione, persino più piccole di quelle che si verificano nel- cadere la sabbia e può addirittura preve- 1000
«catastrofica», anche se, nella maggior lo stato critico. Un mucchietto subcritico dere se possano verificarsi valanghe nel-
parte dei casi, il granello cade in maniera cresce fino a raggiungere lo stato critico. l'immediato futuro. Per un osservatore
tale da non provocare la valanga. Abbia- Se la pendenza è superiore a quella cri- locale, tuttavia, le valanghe più grandi
mo scoperto che anche le valanghe più tica (stato supercritico), le valanghe so- sarebbero imprevedibili, essendo conse- 100
rilevanti coinvolgono solo una piccola no molto più imponenti di quelle dello guenza della storia complessiva di tutto
frazione dei granelli che formano il muc- stato critico. Un mucchietto supercritico il mucchietto. A prescindere dalla dina-
chietto e quindi anche in seguito a una crolla fino a raggiungere lo stato critico. mica locale, le valanghe continuerebbe-
valanga catastrofica la pendenza del I mucchietti supercritici, proprio come ro a cadere inesorabili con una frequen-
mucchietto non riesce a scostarsi sensi- quelli subcritici, sono attratti natural- za relativa che non può essere modifica-
bilmente dalla pendenza critica. mente verso lo stato critico. ta. La criticità è una proprietà globale
Una valanga è una reazione a catena, Che cosa accade se si usa sabbia umida del mucchietto.
o processo di ramificazione. Semplifi- anziché asciutta o se si cerca di impedire Anche se la sabbia viene aggiunta al 100 000
cando alquanto la dinamica della valan- le valanghe costruendo barriere? All'ini- mucchietto a velocità costante, la quan-
ga si possono identificare le caratteristi- zio il mucchietto umido produce valan- tità di sabbia che cade fuori del muc-
che principali della reazione a catena al ghe più piccole e meno frequenti di un chietto varia parecchio nel tempo. Ri- 10 000
fine di costruire un modello. analogo mucchietto asciutto e dopo un portando in grafico il flusso di sabbia in
All'inizio di una valanga, un granello po' di tempo assume una forma netta- funzione del tempo si ottiene un segnale
comincia a scivolare giù per la china a mente più ripida di quest'ultimo. In que- molto irregolare che presenta caratteri- 1000
causa di una qualche instabilità della su- sto stato nel mucchietto umido avvengo- stiche di tutte le durate; questo effetto è
perficie del mucchietto. Il granello si fer- no valanghe di ogni dimensione: esso è denominato sfarfallamento. Come gli
ma soltanto se giunge in una posizione giunto a uno stato critico. Una dinamica scienziati sanno da tempo, lo sfarfalla- 100
stabile, altrimenti continua a cadere, e analoga può essere osservata in un muc- mento indica che la dinamica del sistema
se-colpisce granelli che siano quasi insta- chietto dotato di barriere antivalanga. In è fortemente influenzata dagli eventi
bili li fa cadere a loro volta. Ciascuno dei genere, qualunque piccolo cambiamen- passati. Il rumore bianco, viceversa, che lo '•
granelli in movimento può fermarsi o to avvenga nel sistema, lo stato critico si è un segnale aleatorio, indica assenza di
continuare a cadere e può far cadere altri mantiene. correlazione tra la dinamica attuale e gli
granelli. Il processo si blocca quando tut- Il mucchietto di sabbia possiede due eventi passati. • O 100 1000 10 o: 30 000
te le particelle attive si siano arrestate o caratteristiche in apparenza incongrue: In natura lo sfarfallamento è comunis- ENERGIA LIBERATA (UNITA ARBITRARIE)
siano cadute fuori dal mucchietto. Per il sistema è instabile in molti punti diver- simo: è stato osservato nell'attività sola-
misurare le dimensioni della valanga, si; lo stato critico si mantiene tale nono- re, nella luce emessa dalle galassie, nella Questo modello dei terremoti simula le forze agenti sulle zolle della La curva qui sopra in alto riporta i risultati raccolti dopo 10 000
basta semplicemente contare il numero stante piccoli cambiamenti delle condi- corrente elettrica che attraversa un resi- litosfera. Quando la forza agente su una zolla supera un valore cri- terremoti simulati. La si confronti con la curva in basso, che illu-
dei granelli caduti. zioni. Da una parte le caratteristiche store e nella corrente dei fiumi. Anzi, la tico, la zolla scorre e la forza è trasferita alle zolle vicine. I quadrati stra dati relativi a terremoti reali ottenuti da Arch C. Johnston e
Il mucchietto conserva una pendenza specifiche, come la configurazione della sua onnipresenza può essere considerata bianchi rappresentano zolle in scorrimento; gli ammassi indicano Susan Nava nella zona sismica di New Madrid, negli Stati Uniti.
e un'altezza costanti perché la probabi- sabbia a livello locale, mutano di conti- uno dei grandi misteri della fisica. La un terremoto. Il modello genera terremoti di tutte le grandezze, da Sia nel modello sia nella realtà, i risultati possono essere descritti
lità che l'attività cessi è compensata dalla nuo a causa delle valanghe; d'altra parte teoria della criticità autorganizzata ne un singolo scorrimento fino ad ammassi «catastrofici» che si esten- da una legge di questo tipo: il numero dei terremoti di energia E è
probabilità che l'attività vada incontro a le proprietà statistiche, come la distribu- suggerisce un'interpretazione piuttosto dono a tutto il sistema. Il numero totale di scorrimenti elementari proporzionale a 11E elevato a una costante. Leggi di questa forma
una ramificazione. Quindi la reazione a zione della grandezza delle valanghe, ri- generale: lo sfarfallamento è la sovrap- in un ammasso è una misura dell'energia liberata dal terremoto. possono essere considerate una prova della criticità autorganizzata.
catena mantiene lo stato critico. mangono sostanzialmente costanti. posizione di segnali di tutte le ampiezze
e di tutte le durate, segnali prodotti
quando un sistema dinamico nello stato
critico genera reazioni a catena di tutte
le grandezze e di tutte le durate. meno altri 1000 terremoti di energia 1. una regione della crosta terrestre. La citano sui blocchi una forza proporzio-
Dato che il numero dei terremoti pic- pressione produceva una transizione nel nale alla compressione. (In seguito ab-
nsieme ai nostri colleghi abbiamo co- coli è legato sistematicamente al numero materiale, dal ritorno elastico (per cui al biamo introdotto nel modello altri tipi di
I struito molti modelli al calcolatore nei di quelli grandi, si può ipotizzare che sia cessare della pressione la barra torna alla forze, senza che la dinamica cambiasse
quali si manifesta la criticità autorganiz- gli eventi grandi sia quelli piccoli siano forma originale) al flusso plastico (stato di molto.) I blocchi della zolla elasti-
zata. Questi modelli ci hanno aiutato a prodotti dallo stesso meccanismo. Noi e nel quale la deformazione diventa irre- ca interagiscono per attrito con la zol-
comprendere meglio la dinamica dei ter- i nostri collaboratori abbiamo ipotizzato versibile). Nella fase plastica si formava la rigida.
remoti e degli ecosistemi e la turbolenza che la legge di distribuzione sopra de- nel materiale una regione «di faglia» in Quando la forza esercitata dalle molle
dei fluidi. scritta fosse una prova della criticità au- corrispondenza della quale le due parti su un determinato blocco supera un va-
I modelli dei terremoti sono forse torganizzata ; prima di poter verificare la della barra scorrevano una rispetto al- lore critico, il blocco comincia a scorrere
quelli che hanno avuto più successo. Nel nostra ipotesi dovevamo però capire co- l'altra. Bobrov e Lebjodkin osservarono e continua a farlo finché la forza a cui è
1956 i geologi Beno Gutenberg e Charles me si potesse simulare il processo che «terremoti» la cui dimensione e frequen- sottoposto scende al di sotto del valore
F. Richter, famoso quest'ultimo per ave- genera i terremoti. za erano legate da una legge analoga a critico. La forza perduta dal blocco è tra-
re ideato la scala omonima, scoprirono In genere si suppone che i terremoti quella di Gutenberg-Richter. Effettuan- sferita in parti uguali ai suoi quattro vi-
che il numero dei grandi terremoti è le- siano causati da un meccanismo di ade- do gli esperimenti con barre di niobio cini. (Durante questo processo l'energia
gato al numero di quelli piccoli (secondo sione e scorrimento: alcune parti della anziché di alluminio essi ottennero gli potenziale accumulata nelle molle si tra-
una legge detta appunto di Gutenberg- crosta aderiscono e poi scorrono rispetto stessi risultati, anche se nei due materiali sforma dapprima in energia cinetica e
-Richter). Il numero annuo di terremoti ad altre parti, dando origine a faglie. i meccanismi microscopici sono diversi. poi è dissipata quando i blocchi vengono
che liberano una certa energia E è pro- Quando una certa zona scorre rispetto a Noi abbiamo preparato un semplice rallentati dalle forze di attrito.) Il model-
porzionale a 11E elevato alla potenza b, un'altra, la tensione è liberata e si pro- modello al calcolatore della crosta terre- lo descrive la distribuzione delle forze
dove b è circa 1,5. L'esponente b è uni- paga alle regioni adiacenti. stre che riproduce alcune caratteristiche prima e dopo ciascun evento, ma non il
versale, nel senso che non dipende dalla Per riprodurre in laboratorio questo importanti dei terremoti. Per semplicità, moto del blocco o altri particolari del
La simulazione al calcolatore di un mucchietto di sabbia evolve naturalmente verso uno particolare area geografica. Quindi i meccanismo. Vladimir Bobrov e Mi- il nostro modello consiste in una zolla processo dinamico.
stato critico in cui l'aggiunta anche di un solo granello può causare valanghe in tutto il grandi terremoti sono molto più rari di khail Lebjodkin, dell'Istituto di fisica elastica e in una rigida. La zolla elastica Quando la forza agente sul modello
sistema. Via via che si aggiungono granelli al mucchietto (lungo il margine superiore quelli piccoli. Se per esempio una deter- dello stato solido di Cernogolovka. pres- è rappresentata da una schiera bidimen- viene aumentata a poco a poco, in modo
dell'immagine), il calcolatore stabilisce dove si sposta ciascun granello e calcola la pendenza minata zona è colpita ogni anno da un so Mosca, effettuarono un esperimento sionale di blocchi, ciascuno collegato da uniforme, e nella stessa direzione su tutti
del mucchietto in vari punti. I quadretti rosa rappresentano le zone più ripide, quelli neri terremoto di energia 100 (in unità arbi- in cui si applicava una pressione a una molle ai quattro blocchi adiacenti. Se la i blocchi, il modello comincia a produrre
le zone piatte. I granelli che raggiungono i lati o il fondo cadono fuori dal mucchietto. trarie), nello stesso periodo subirà più o barra di alluminio che rappresentava schiera viene compressa, le molle eser- una serie di terremoti. All'inizio genera
24 LE SCIENZE n. 271, marzo 1991 LE SCIENZE n. 271, marzo 1991 25
Criticità autorganizzata e mucchietti di sabbia
solo terremoti piccoli, ma prima o poi si Sornette dell'Università di Nizza hanno Per verificare l'accuratezza delle pre-
porta in uno stato critico in cui vengono studiato gli intervalli temporali tra gran- visioni nel nostro modello dei terremoti,
generati terremoti piccoli e grandi. L'au- di terremoti e hanno scoperto andamen- abbiamo effettuato due simulazioni del-
a teoria della criticità autorganizzata consente di preve- parecchiatura era collocata su un pesante banco che assor- mento uniforme della forza è bilanciato ti che potrebbero avere importanti con- lo stato critico che differiscono per una
dere il comportamento dei mucchietti di sabbia: quan- biva le vibrazioni. Per montare il complesso Held impiegò da una liberazione di forza al contorno. seguenze sulla previsione a lungo termi- piccola forza casuale, la quale agisce su
L do a un mucchietto viene aggiunto un singolo granello circa 10 ore. Abbiamo studiato il modello con il ne dei terremoti. Jean M. Carlson e
di sabbia, esso di solito fa cadere solo pochi altri granelli, ma Nei primi esperimenti i ricercatori usarono particelle di os- massimo impegno dopo che esso si era James S. Langer dell'Institute for Theo-
di tanto in tanto fa precipitare una grande valanga. Di recente, sido di alluminio, poi scoprirono che la sabbia della spiaggia evoluto fino allo stato critico. Noi rite- retical Physics hanno costruito un mo-
per verificare questa previsione su mucchietti reali, Glenn A. di Long Island andava altrettanto bene. Prepararono la sab- niamo che la crosta terrestre abbia già dello monodimensionale che simula il
Held e colleghi del Thomas J. Watson Research Center del- bia essiccandola in forno e setacciandola prima con un cri- raggiunto uno stato critico stazionario e movimento della crosta terrestre lungo
l'IBM hanno escogitato un ingegnoso esperimento. vello a maglie grandi (otto maglie per centimetro) e poi con che quindi i terremoti reali possano es- una faglia, scoprendo che in effetti il mo- •
Il problema più difficile per il gruppo dell'IBM era la costru- uno a maglie più fini (dieci maglie per centimetro). Conser- sere simulati mediante lo stato critico del dello evolve verso uno stato critico.
zione di un'apparecchiatura che aggiungesse sabbia al muc- varono i granelli che passavano attraverso il primo crivello, modello.
•
chietto molto lentamente, più o meno un granello alla volta. ma eliminarono quelli che passavano attraverso il secondo. In questa simulazione l'energia libera- ediante la teoria della criticità au-
Held e collaboratori montarono su un banco di laboratorio un Riempirono l'imbuto di sabbia e formarono un mucchietto ta durante un terremoto è legata al nu- M torganizzata si è riusciti non solo a EY'.
motore a velocità variabile e fissarono all'albero un imbuto grossolano su una piastra circolare di quattro centimetri di mero degli scorrimenti che fanno seguito spiegare l'evoluzione dei terremoti, ma
costituito da un'ampolla da 250 millilitri e da un tubo capillare diametro. Per accertarsi che il mucchietto si assestasse nella a un'instabilità prodottasi in un qualche anche a descrivere la distribuzione dei
lungo 23 centimetri e con diametro interno di 2.0 millimetri. sua forma naturale, fecero cadere i granelli sul mucchietto «epicentro». In effetti, se si contano i loro epicentri. Da più di un decennio i
Poi riempirono l'imbuto di sabbia e lo inclinarono di circa due con continuità per alcune ore. Poi osservarono le valanghe terremoti di ciascuna intensità su un lun- ricercatori sanno che oggetti come le
gradi rispetto all'orizzontale in modo che i granelli scivolas- di sabbia che rotolavano lungo i fianchi del mucchietto. Via go arco di tempo, si ottiene una distribu- montagne, le nubi, le galassie e i vortici
sero nel capillare senza cadere. via che la sabbia cadeva fuori del bordo della piastra, misu- zione della stessa forma della legge di in un fluido turbolento si distribuiscono
Il motore faceva ruotare l'imbuto intorno al suo asse a circa ravano le fluttuazioni di peso del mucchietto. Gutenberg-Richter (si veda l'illustrazio- secondo leggi che comprendono un ele-
60 rivoluzioni al minuto, cosicché i granelli si allineavano Per controllare il motore e per seguire le operazioni di pe- ne a pagina 25). I terremoti catastrofici vamento a potenza. Il numero di ogget-
all'interno del capillare spostandosi in fila indiana fino al- satura fu usato un calcolatore personale. Quando esso rile- sono rappresentati dalla parte ad alta ti contenuti, per esempio, in una sfera di .3 C.
l'apertura. Regolando l'angolo dell'imbuto e la velocità del vava una variazione di peso paragonabile a un granello, ar- energia della curva, che può essere tran- raggio r è proporzionale a r elevato a •:.
motore, i ricercatori potevano far cadere dall'apparecchiatura restava la rotazione dell'imbuto e il flusso di sabbia. Quando quillamente estrapolata dalla parte a una qualche costante D. Una distribu-
un granello ogni 15 secondi. La bocca del capillare era stata la bilancia si era stabilizzata, il calcolatore registrava il peso, bassa energia corrispondente ai terre- zione di oggetti di questo genere è nota
posta a circa 10 centimetri sopra il piatto di una bilancia poi riavviava il motore e la caduta dei granelli riprendeva. moti più piccoli. Non esiste un meccani- come frattale (si veda l'articolo 11 lin-
analitica avente una precisione di 0,0001 grammi e una ca- Held e colleghi fecero funzionare il sistema per due setti- smo distinto per i terremoti di grande guaggio dei frattali di Hartmut Jurgens,
pacità di 100 grammi. Ciascun granello pesava circa 0,0006 mane, facendo cadere sulla piastra di quattro centimetri più intensità. Heinz-Otto Peitgen e Dietmar Saupe in
grammi e un mucchietto di quattro centimetri di diametro alla di 35 000 granelli, e osservarono valanghe di svariate dimen- Abbiamo costruito modelli in due, tre «Le Scienze» n. 266, ottobre 1990). Ora e {.•
base pesava circa 15 grammi. sioni. L'aggiunta di un numero molto variabile di granelli (da o quattro dimensioni nei quali a ciascun abbiamo scoperto che i frattali descrivo-
Per sorreggere i mucchietti Held e colleghi costruirono pia- uno a qualche migliaio) provocava nella massa del mucchiet- blocco sono collegate rispettivamente no la distribuzione degli epicentri dei
stre circolari con diametro da uno a otto centimetri. Attacca- to variazioni che andavano da un granello ad alcune centi- quattro, sei od otto molle. La dimensio- terremoti. • e .
rono a ciascuna piastra uno stelo lungo 2,5 centimetri e spes- naia. Questo risultato indicava chiaramente che il mucchietto ne determina l'esponente b della legge Benché i frattali si presentino ovun- • 4‘?.":"'è.
so 0,5 centimetri, che era a sua volta collegato a una base si era organizzato in uno stato critico. che descrive il comportamento del siste- que in natura, i ricercatori cominciano
circolare del diametro di quattro centimetri. Questo comples- Tuttavia, quando i ricercatori aumentarono il diametro di ma. Nella rappresentazione basata sulle solo adesso a capire la dinamica che li
so, che somigliava a un'“alzatina" per torte o a un rocchetto, base del mucchietto passando a una piastra di otto centime- reazioni a catena critiche, i diversi valori crea. Insieme ai nostri colleghi abbiamo
poggiava sul piatto della bilancia. Intorno allo stelo del roc- tri, scoprirono che dal mucchietto si staccavano solo valan- di b corrispondono a diversi accoppia- avanzato l'ipotesi che i frattali si possano
chetto fu posto un deflettore metallico per deviare fuori dal ghe grandi (di circa quattro grammi). Ne conclusero che nei menti tra i singoli processi di ramifica- considerare come istantanee di processi
piatto della bilancia i granelli che cadevano dal mucchietto, mucchietti di questa grandezza la criticità autorganizzata non zione. Sergej P. Obukhov dell'Istituto critici autorganizzati. Le strutture fratta- g•
in modo da pesare solo la sabbia di quest'ultimo. si manifesta; tuttavia nessuno è ancora riuscito a capire per- Landau di Mosca ha dimostrato che in li e lo sfarfallamento sono le impronte 4 • .3
La bilancia era protetta da un contenitore per impedire che ché solo i mucchietti piccoli evolvano naturalmente verso uno quattro o più dimensioni i singoli proces- digitali, rispettivamente nello spazio e
le correnti d'aria facessero volar via la sabbia e l'intera ap- stato critico. si di ramificazione sono sostanzialmente nel tempo, della criticità autorganizzata.
indipendenti e si può stabilire con meto- Prevedere i terremoti resta un'impre-
di analitici che il valore di b è 1,5. sa difficile. La stabilità della crosta ter-
Naturalmente le regioni attive nei ter- restre si dimostra molto sensibile alle • e.,
remoti reali sono tridimensionali e fino- condizioni iniziali del sistema. Talvolta
e
ra l'unico metodo per prevedere il valore anche le condizioni di zone molto lonta- e
reale di b è la simulazione al calcolatore. ne dall'epicentro possono influire sull'e-
Non ci si può aspettare che un modello voluzione di un terremoto.
grossolanamente semplificato fornisca Per valutare la precisione delle previ- 4 .4 is
•
gli esponenti corretti della distribuzio- sioni su un sistema dinamico si devono ...
ne dei terremoti reali. Tuttavia il model- conoscere con una certa esattezza sia le • e
lo fa pensare che nei sistemi critici au- condizioni iniziali sia le regole che ne
toi-ganizzati debbano riscontrarsi leggi determinano l'evoluzione. Nei sistemi
di forma analoga a quella di Gutenberg- non caotici, come la Terra nella sua ri-
-Richter e che, viceversa, quest'ultima voluzione intorno al Sole, l'incertezza si
possa essere considerata una prova che mantiene costante in ogni momento: la .2.1>
la crosta terrestre sia in effetti entrata in posizione che il nostro pianeta avrà tra
uno stato critico permanente. un milione di anni può essere determi-
Ricercatori di tutto il mondo hanno nata quasi con la stessa precisione con Il gioco Vita simula l'evoluzione di una co-
sfruttato la teoria della criticità autorga- cui si può conoscere la sua posizione lonia di organismi e mostra come la teoria
nizzata per interpretare molti altri aspet- attuale. della criticità autorganizzata sia in grado di
ti dei terremoti. Keisuke Ito e Mitsuhiro Nei sistemi caotici una piccola incer- spiegare la dinamica degli ecosistemi. I
Matsuzaki dell'Università di Kobe sono tezza iniziale cresce esponenzialmente quadretti neri rappresentano organismi vi-
riusciti a spiegare la distribuzione spazia- nel tempo. Inoltre, se si cerca di fare vi e quelli rossi organismi morenti; i qua-
le degli epicentri tramite un modello lie- previsioni in un futuro sempre più lon- dretti azzurri indicano la nascita imminen-
vemente modificato. Hanno anche tro- tano, la quantità d'informazioni che è te di un organismo. Il primo riquadro mo-
vato un'interpretazione di una semplice necessario raccogliere sulle condizioni stra la colonia poco dopo che un organismo
legge empirica che fornisce il numero di iniziali aumenta esponenzialmente nel è stato aggiunto a una configurazione sta-
repliche di una data magnitudo, la cosid- tempo. Questa crescita impedisce quasi bile. Nel secondo e nel terzo riquadro la
detta legge di Omori. Anne e Didier sempre la previsione a lungo termine. colonia evolve verso un nuovo stato stabile.
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con 1000 osservatori si potrebbero fare
previsioni sull'arco di quattro giorni. Se
invece i fenomeni fossero caotici in senso
debole, allora con 1000 osservatori si po-
trebbero fare previsioni con 20 giorni di
anticipo.
Con qualche cambiamento terminolo-
gico (e con un po' d'immaginazione), è
possibile trasformare il mucchietto di
sabbia o il modello dei terremoti adat-
tandoli a molte situazioni. Per esempio,
è stato dimostrato che il traffico su
un'autostrada ha i caratteri dello sfarfal-
lamento. L'andamento delle frenate e
delle partenze può essere considerato
come un insieme di valanghe critiche che
si propagano nel traffico.
I modelli del traffico, dei mucchietti
di sabbia e dei terremoti si assomi-
gliano in quanto il numero di elementi si
conserva sempre. Per esempio il numero
dei granelli di sabbia nel mucchietto è
sempre uguale al numero di quelli ag-
giunti al mucchietto meno il numero di
quelli che sono caduti fuori. La conser-
vazione degli elementi è una caratteristi-
ca importante di molti sistemi che evol-
vono naturalmente verso uno stato criti-
co. Tuttavia la teoria della criticità au-
torganizzata non è limitata ai sistemi
aventi leggi di conservazione locali, co-
me dimostra il «gioco Vita».
Questo gioco, inventato nel 1970 dal
matematico John H. Conway, divenne
popolare grazie a una serie di articoli di
Martin Gardner apparsi su questa rivista
(si veda la rubrica «Giochi matematici»
n. 33, maggio 1971 e n. 35, luglio 1971).
Il gioco Vita simula l'evoluzione di una
colonia di organismi viventi e imita lo
sviluppo della complessità in natura.
All'inizio del gioco i pezzi, od organi-
smi, sono collocati a caso su una tavola
suddivisa in caselle quadrate. Ciascuna
casella è occupata al massimo da un or-
ganismo ed è circondata da altre otto
La dinamica delle valanghe si può spiegare con la teoria della criticità autorganizzata, se- caselle. Per stabilire lo stato di una ca-
condo la quale i cumuli di neve e altri grandi sistemi complessi evolvono naturalmente ver- sella a ogni mossa è necessario contare
so uno stato critico dove eventi anche piccoli possono causare reazioni a catena di molte di- il numero di organismi che occupano le
mensioni. Se la teoria si rivelasse corretta, potrebbe facilitare la previsione delle catastrofi. otto caselle confinanti. Se intorno a una
casella vuota od occupata si contano due
caselle «vive», lo stato della casella non
cambia. Se si contano tre caselle vive,
queste danno origine a un nuovo orga-
ciascun blocco e rappresenta una piccola esiste e quindi le previsioni a lungo ter- nismo oppure mantengono in vita un or-
incertezza nelle condizioni iniziali. Nel mine sono possibili. ganismo già esistente. In tutti gli altri
corso delle due simulazioni l'incertezza Dal momento che si scopre che tutti i casi, un organismo muore o di solitudine
cresce nel tempo, ma assai più lentamen- sistemi critici autorganizzati sono caotici o di sovraffollamento. Il gioco continua
te di quanto faccia per i sistemi caotici: in senso debole, ci si può aspettare che secondo queste regole finché approda a
infatti segue una legge dell'elevamento in natura il caos debole sia notevolmen- uno stato periodico semplice contenente
a potenza e non una legge esponenziale. te comune. In effetti sarebbe interessan- colonie stabili. Quando è perturbato con
Il sistema evolve ai margini del caos. te sapere se l'imprecisione che caratte- l'aggiunta di un'ulteriore casella «viva»,
Questo comportamento, detto caos de- rizza le previsioni sismiche, economiche spesso il gioco manifesta lunghi periodi
bole, è una conseguenza della criticità e meteorologiche aumenta in genere nel transitori di attività. (Una versione più
autorganizzata. tempo secondo una legge dell'elevamen- evoluta del gioco è apparsa nella nostra
Il caos debole differisce in modo so- to a potenza e non secondo una legge rubrica «(Ri)creazioni al calcolatore» di
stanziale dal comportamento caotico ve- esponenziale. A. K. Dewdney nel n. 224, aprile 1987.)
ro e proprio. I sistemi caotici in senso Supponiamo per esempio che i feno- Di recente, insieme a Michael Creutz
forte sono caratterizzati da un intervallo meni meteorologici siano caotici in senso del Brookhaven National Laboratory,
di tempo oltre il quale è impossibile fare forte. Allora se 100 osservatori raccolgo- abbiamo studiato il gioco Vita per vede-
previsioni. Per i sistemi caotici in senso no abbastanza informazioni da consenti- re se il numero delle caselle vive fluttuas-
debole questo intervallo di tempo non re previsioni con due giorni di anticipo, se nel tempo come la grandezza delle
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valanghe nel modello del mucchio di per esempio, potrebbe essere considera- di in boschi dove gli «alberi» crescono
sabbia. Abbiamo lasciato che il sistema ta una valanga nella dinamica dell'evo- uniformemente e bruciano (dissipazione
raggiungesse tostato di riposo e abbiamo luzione e non sarebbe necessario ipotiz- di energia) con andamento frattale. Si
aggiunto un unico organismo in una po- zare alcuna forza esterna, come una me- può pensare che la dissipazione di ener-
sizione casuale; abbiamo aspettato che il teorite o un'eruzione vulcanica. gia sia causata da una successione di in-
sistema raggiungesse di nuovo l'equili- Philip W. Anderson della Princeton cendi che si propagano come valanghe.
brio e abbiamo ripetuto il procedimen- University, Brian W. Arthur della Stan- Nello stato critico vi è una distribuzione
to. Poi abbiamo misurato il numero to- ford University, Kauffmann e uno di noi di incendi e di zone boscose di tutte le
tale di nascite e di morti nella «valan- (Bak) si sono resi conto che anche le dimensioni, e ciò corrisponde al fatto
ga» dopo ogni perturbazione. Abbiamo fluttuazioni dell'economia potrebbero che durante la turbolenza l'energia è
così scoperto che la distribuzione segue essere valanghe in uno stato critico au- contenuta in vortici di tutte le dimensio-
una legge dell'elevamento a potenza, e torganizzato di questo sistema. Benoit ni. Benché questo modello non sia affat-
ciò indica che il sistema si è organizzato B. Mandelbrot della IBM ha analizzato to realistico per la turbolenza nei fluidi,
in uno stato critico. indicatori come l'indice Dow Jones e ha riteniamo che la turbolenza possa essere
Abbiamo scoperto anche che la distri- riscontrato fluttuazioni simili allo sfar- proprio un fenomeno critico autorganiz-
buzione delle caselle vive è un frattale fallamento. I vari stati stazionari meta- zato. Una delle conseguenze di questa
che può essere descritto da una legge di stabili dell'economia potrebbero corri- ipotesi (che può essere facilmente stu-
forma analoga. Il numero medio di ca- spondere agli stati metastabili di un muc- diata per via sperimentale) è che la tur-
selle attive a distanza r da una data ca- chietto di sabbia o della crosta terrestre. bolenza pienamente sviluppata non è un
sella attiva è proporzionale a r elevato a I modelli economici tradizionali pre- fenomeno caotico in senso forte, come
D, dove D è circa 1,7. suppongono l'esistenza di una posizione spesso si suppone. La turbolenza sareb-
Ci si può chiedere se la criticità sia di equilibrio fortemente stabile per la be dunque caotica solo in senso debole,
accidentale, cioè se si manifesti solo per quale forti fluttuazioni a livello generale come accade nel modello dei terremoti.
le particolarissime regole inventate da possono derivare solo da perturbazioni
Conway. Per trovare la risposta abbia- esterne che colpiscano simultaneamente i potrebbero trovare esempi più sin-
mo costruito modelli che sono varianti allo stesso modo molti settori diversi. S golari di criticità autorganizzata. I
del gioco Vita. Alcune varianti erano tri- Tuttavia spesso è difficile identificare le periodi di guerra e di pace che si sono
dimensionali; in altre gli organismi veni- cause delle fluttuazioni di maggiori di- susseguiti nella storia potrebbero aver
vano aggiunti al sistema durante la sua mensioni, come la grande depressione lasciato il mondo in uno stato critico in
evoluzione, oppure venivano introdotti degli anni trenta. Se viceversa l'econo- cui i conflitti sociali si propagano come
in caselle particolari anziché scelte a ca- mia è un sistema critico autorganizzato, valanghe. La criticità autorganizzata po-
so. Tutte le varianti evolvevano verso ci si devono attendere fluttuazioni di trebbe anche spiegare come l'informa-
uno stato critico e potevano essere de- grande scala più o meno periodiche an- zione si distribuisce nella rete di neuro-
scritte da leggi analoghe a quella citata, che in assenza di perturbazioni comuni ni del cervello. Non c'è da stupirsi che
che sembravano dipendere solo dalla di- ai vari settori. le idee brillanti possano venire innescate
mensione spaziale. Per verificare la validità di queste idee da eventi anche piccoli (come per esem-
Riteniamo che i nostri modelli possa- abbiamo costruito, insieme a José A. pio, ci auguriamo, la lettura di questo
no avere applicazioni importanti in bio- Scheinkman e Michael Woodford del- articolo).
logia. Il gioco Vita può essere conside- l'Università di Chicago, un semplice mo-
rato un modello giocattolo di un sistema dello in cui società che producono arti-
coevolutivo. Ciascuna casella può rap- coli diversi occupano certe posizioni in
presentare un gene di una specie sempli- un reticolo bidimensionale, o rete eco-
cissima, il quale può assumere i valori 1 nomica. Ciascuna società si rifornisce da
o 0. La stabilità di ciascun valore dipen- altre due imprese situate in posizioni
BIBLIOGRAFIA
de dall'ambiente, che è rappresentato adiacenti e produce articoli nuovi, che
dai valori dei geni delle specie vicine. Il cerca di vendere sul mercato. Se la do- BAK PER, TANG CHAO e WIESENFELD
processo coevolutivo porta allora il siste- manda degli articoli prodotti da ciascuna KURT, Self-Organized Criticality in
ma da uno stato di partenza casuale allo società varia a caso di una piccola quan- «Physical Review A», 38, n. 1, 1 luglio
stato critico, che è molto organizzato e tità, molte imprese possono subire una 1988.
dotato di configurazioni statiche e dina- «valanga» nelle vendite e nella produzio- BAK PER e TANG CHAO, Earthquakes
miche complesse. La complessità della ne. Le simulazioni indicano che questo as a Self-Organized Criticai Phenome-
dinamica globale è strettamente legata modello tende verso uno stato critico au- non in «Journal of Geophysical Re-
alla sua criticità. In effetti la teoria della torganizzato, come il mucchietto di sab- search», 94, n. B11, 10 novembre 1989.
complessità e quella della criticità po- bia. Le grandi fluttuazioni sono proprie- BAK PER e CHEN KAN, The Physics of
trebbero più o meno coincidere. tà intrinseche e imprescindibili della di- Fractals in «Physica D», 38, pp. 5-12,
Il biologo Stuart Kauffmann dell'Uni- namica di questo modello economico. 1989.
versità della Pennsylvania ha proposto La teoria della criticità autorganizzata SORNETTE ANNE e SORNETTE DIDIER,
un modello dell'evoluzione in cui le spe- può trovare applicazioni anche nella di- Self-Organized Criticality and Earthqua-
cie sono rappresentate da sequenze di namica dei fluidi. Per molto tempo si è kes in «Europhysics Letters», 9, n. 3,
numeri (geni). I geni hanno interazioni supposto che nei fluidi turbolenti l'ener- 1989.
sia intraspecifiche sia interspecifiche. Il gia fosse contenuta in vortici di tutte le BAK PER, CHEN KAN e CREUTZ
successo evolutivo di ciascuna specie è dimensioni. Mandelbrot ha avanzato l'i- MICHAEL, Self-Organized Criticality in
quindi legato a quello delle altre specie. potesi che la dissipazione dell'energia sia the "Game of Life" in «Nature», 342,
Kauffmann ha ipotizzato che la comples- confinata in una minuscola porzione di n.6251, 14 dicembre 1989.
sità della vita potrebbe essere intima- spazio, situata su una complessa struttu- BAK PER, CHEN KAN e TANG CHAO,
mente legata all'esistenza di uno stato ra frattale. Benché ciò sembri in accor- A Forest-Fire Mode! and Some Thoughts
critico. I nostri studi indicano che l'evo- do con gli esperimenti, non esistono né on Turbulence in «Physics Letters», 147,
luzione può in effetti portare automati- teorie né calcoli che suffraghino questa n. 5-6, 1990.
camente un sistema dinamico semplice, interpretazione. HELD GLENN A. e altri, Experimental
soggetto a interazioni più o meno casua- In collaborazione con Tang, abbiamo Study of Critical-Mass Fluctuations in an
li, proprio in questo stato critico. Se ciò costruito un semplice modello della tur- Evolving Sandpile in «Physical Review
è corretto, l'evoluzione si svolge ai mar- bolenza che opera in uno stato critico Letters», 65, n. 9, pp. 1120-1123, 27
gini del caos. L'estinzione dei dinosauri, autorganizzato. Il modello simula incen- agosto 1990.
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SCIENZA PER IMMAGINI a un solo altro poligono. La comune pa-
vimentazione di una sala, con piastrelle
quadrate o esagonali, è un esempio di
porzione finita di una tassellatura piana.
Le tassellature fondamentali sono
quelle costituite da un solo tipo di poli-
gono, per di più regolare: si può dimo-
Tassellature
strare che di tali reti ne possono esistere
soltanto tre, quelle formate da triangoli,
quadrati o esagoni. Se si ammettono an-
che tassellature formate da due tipi di
centrali e non-archimedee
poligoni regolari, come per esempio
quella di quadrati e di ottagoni e quella
di triangoli e dodecagoni, il loro numero
cresce sensibilmente. È notevole che i
cinque poligoni regolari nominati resti-
no i soli con cui si possono formare reti
Se si interpretano sia le classiche tassellature di poligoni regolari sia
piane.
Se si vorrà costruire qualche nuova
quelle non-archimedee come strutture del piano complesso, eseguendo tassellatura sarà perciò necessario fare
ricorso anche a un tipo di poligono non
opportune trasformazioni si possono ottenere nuove sorprendenti figure più regolare, e precisamente al rombo.
Convenendo di indicare un poligono re-
golare di p lati con il simbolo {p}. chia-
meremo immagine di {p} il rombo i cui
angoli ottusi siano uguali all'angolo al
vertice di {p} e lo indicheremo con il
di Lucio Saffaro
simbolo I {p} . Si noterà che una tassel-
latura è tanto più interessante quanta più
simmetria possiede. I suoi gradi di sim-
l problema di ricoprire una superficie conteneva profonde implicazioni mate- ra, tra le poche ormai ancora possibili da metria dipendono dai movimenti che ri-
piana usando un solo tipo di tesse- matiche. Si può dire però che solo in esplorare. portano la tassellatura in se stessa: le tre
/ ra o di piastrella, senza lasciarne questi ultimi decenni questa branca della Una tassellatura piana o rete è dun- regolari per esempio vengono a ricoprire
scoperta alcuna parte è stato sempre og- geometria ha raggiunto il suo culmine que, in senso matematico, un aggregato esattamente se stesse quando siano sot-
getto di studio da parte sia di artisti sia con la teorizzazione e la classificazione di poligoni, combacianti a due a due, che toposte alla rotazione di un certo angolo Esistono solo quattro modi per disporre poligoni regolari '(in questo caso triangoli, quadrati
di matematici. All'inizio si trattò soltan- pressoché completa di tutta la materia, ricoprono tutto il piano infinito una sola intorno a un dato punto, oppure alla tra- e pentagoni) intorno a un vertice comune senza che i lati combacino. Gli spazi che restano
to di una questione di arredo architetto- divenuta ormai sterminata. Qui presen- volta, in modo che ogni lato di ciascun slazione di ampiezza data in una certa tra i poligoni regolari vengono occupati da rombi. Si formano così i nuclei centrali intorno
nico, poi ci si accorse che il problema teremo qualche nuovo tipo di tassellatu- poligono appartenga anche a un altro, e direzione. ai quali engono collocati altri poligoni e rombi per costruire le tassellature centrali.
N
Le tassellature generate dal nuclei centrali con quattro triangoli e finito. Esse sono interessanti per la psicologia della percezione in
tre quadrati alternati a rombi si estendono uniformemente all'in- quanto formano immagini bistabili illusoriamente tridimensionali.
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