Analisi numerica della concentrazione di fitoplancton in un flusso di Kolmogorov laminare.

Phytoplankton is responsible for about half of the photosynthetic activity on Earth. It is composed of thousands of species, many of which are able to swim. Environmental cues often determine microorganisms' motion: one example is the motion guided by a light source, called phototaxis, or that one determined by chemical signals, namely chemotaxis. In this work we focus on gyrotaxis, which is determined by the balance between the viscous and the gravitational torque. This motion is due to an asymmetric mass distribution of the microorganism: this produces a stabilizing torque that pushes the center of the mass of the cell downwards with respect to the geometric center orienting the microorganism upwards. In this thesis, by means of numerical and analytical investigations, we study the dynamics and the distribution of gyrotactic microalgae within a bidimensional Kolmogorov flow. In particular we focus on how microorganisms preferentially sample different flow regions, by varying the biological parameters related to the shape and the swimming velocity of the cells.

Il fitoplancton è responsabile di circa metà dell'attività fotosintetica sulla Terra. È composto da migliaia di specie, molte delle quali sono in grado di nuotare. Il movimento dei microrganismi è spesso determinato da fattori ambientali: un esempio è il moto determinato da una sorgente di luce, chiamato fototassi, o quello determinato da segnali chimici, la chemiotassi. In questo lavoro, si considera la girotassi, che è determinata dall'equilibrio tra il momento viscoso e quello gravitazionale. Questo tipo di moto è dovuto ad una distribuzione asimmetrica della massa del microorganismo: questo produce un momento che spinge il centro di massa della cellula verso il basso rispetto al centro geometrico, orientando e stabilizzando il microrganismo verso l'alto. In questa tesi, tramite un approccio numerico e analitico, si studia la dinamica e la distribuzione delle microalghe girotattiche all'interno di un flusso di Kolmogorov bidimensionale. In particolare, si studia la diversa concentrazione dei microorganismi nel flusso, variando i parametri biologici relativi alla forma e alla velocità di nuoto delle cellule.