Balões gigantes lançados na estratosfera para transmitir serviços de Internet para a Terra têm ajudado os cientistas a medir minúsculas ondulações em nossa atmosfera superior, revelando padrões que podem melhorar as previsões meteorológicas e os modelos climáticos.
As ondulações, conhecidas como ondas de gravidade ou ondas de flutuabilidade, surgem quando bolhas de ar são forçadas para cima e então puxadas para baixo pela gravidade. Imagine uma porção de ar que corre sobre as montanhas, mergulha em vales frios, navega pela terra e pelo mar e ricocheteia nas tempestades crescentes, subindo e descendo entre camadas de atmosfera estável em um grande cabo de guerra entre a flutuabilidade e a gravidade. Uma única onda pode viajar por milhares de quilômetros, levando impulso e calor ao longo do caminho.
Embora menos conhecidas do que as ondas gravitacionais – ondulações na estrutura do espaço-tempo – as ondas gravitacionais atmosféricas são onipresentes e poderosas, disse o cientista atmosférico da Universidade de Stanford Aditi Sheshadri, autor sênior de um novo estudo que detalha as mudanças nas ondas gravitacionais de alta frequência ao longo das estações e latitudes . Eles causam parte da turbulência sentida em aviões voando em céu claro e têm uma forte influência em como as tempestades ocorrem no nível do solo.
Balões voando alto
Publicada em 30 de agosto no Journal of Geophysical Research: Atmospheres, a nova pesquisa baseia-se em dados de balões de superpressão da empresa Loon LLC, que projetou os balões para fornecer acesso à Internet em áreas mal servidas por torres de celular ou cabos de fibra óptica. Saindo da empresa controladora do Google, Alphabet, em 2018, Loon enviou milhares de balões carregados de sensores navegando a 12 milhas na estratosfera – bem acima da altitude dos aviões comerciais e da maioria das nuvens – por 100 dias ou mais em um trecho.
“Isso foi apenas uma coisa de muita sorte porque eles não estavam coletando dados para nenhuma missão científica. Mas, incidentalmente, eles estavam medindo a posição, a temperatura e a pressão”, disse Sheshadri, que é professora assistente de ciência do sistema terrestre na Universidade de Stanford Escola de Ciências da Terra, Energia e Meio Ambiente (Stanford Earth).
Os pesquisadores calcularam os movimentos das ondas gravitacionais a partir de dados que os balões coletaram em 6.811 períodos separados de 48 horas de 2014 a 2018. “Montar uma campanha científica equivalente seria terrivelmente caro. Com os dados do Loon, a análise é mais complicada porque a coleta de dados foi acidental , mas tem uma cobertura quase global “, disse Sheshadri.
Ondas pequenas, impacto planetário
As ondas gravitacionais são uma parte importante da dinâmica atmosférica. “Eles ajudam a impulsionar a circulação geral da atmosfera, mas algumas ondas gravitacionais são muito pequenas e frequentes para serem observadas com satélites”, disse o principal autor do estudo, Erik Lindgren, que trabalhou na pesquisa como pós-doutorado no laboratório de Sheshadri . “Estas são as ondas gravitacionais nas quais nos concentramos neste estudo.” Estudos anteriores usando balões atmosféricos para rastrear ondas de gravidade de alta frequência geralmente incorporaram dados de não mais do que algumas dezenas de voos de balão, cobrindo áreas menores e menos temporadas.
Os dados do Loon provaram ser particularmente valiosos para o cálculo de ondas de gravidade de alta frequência, que podem subir e descer centenas de vezes por dia, em distâncias que variam de algumas centenas de pés a centenas de quilômetros. “Eles são minúsculos e mudam em escalas de tempo de minutos. Mas em um sentido integrado, eles afetam, por exemplo, o orçamento de impulso da corrente de jato, que é essa coisa em escala planetária massiva que interage com tempestades e desempenha um papel importante em definindo seu curso “, disse Sheshadri.
As ondas gravitacionais também influenciam o vórtice polar, um redemoinho de ar frio que geralmente paira sobre o Pólo Norte e pode causar um frio extremo em partes da Europa e nos Estados Unidos por meses a fio. E eles interagem com a oscilação quase bienal, na qual, aproximadamente a cada 14 meses, o cinturão de ventos soprando alto sobre o equador inverte a direção – com grandes impactos na destruição da camada de ozônio e no clima da superfície muito além dos trópicos.
Como resultado, entender as ondas gravitacionais é fundamental para melhorar as previsões meteorológicas em escala regional, especialmente porque o aquecimento global continua a perturbar os padrões históricos. “Acertar as ondas gravitacionais ajudaria a restringir as respostas da circulação às mudanças climáticas, como a quantidade de chuva em um determinado local, o número de tempestades – coisas dinâmicas como vento, chuva e neve”, disse Sheshadri.
Construindo melhores modelos
Os modelos climáticos atuais estimam os efeitos das ondas de gravidade de alta frequência na circulação em uma espécie de caixa preta, com poucas restrições de observações do mundo real ou aplicação do conhecimento existente limitado dos processos físicos em jogo. “Até agora, não estava totalmente claro como essas ondas se comportam em diferentes regiões ou ao longo das estações em frequências muito altas ou escalas pequenas”, disse Lindgren.
Sheshadri e seus colegas se concentraram na energia associada às ondas de gravidade de alta frequência em diferentes escalas de tempo e em como essa energia varia entre as estações e latitudes. Eles descobriram que essas ondas são maiores e acumulam mais energia cinética nos trópicos e durante o verão; ondas menores se movendo com menos energia são mais comuns perto dos pólos e durante o inverno. Eles também encontraram ondas gravitacionais mudando em sincronia com as fases da oscilação quase bienal. “Descobrimos mudanças distintas na atividade das ondas gravitacionais em diferentes épocas do ano e em diferentes partes do globo”, disse Lindgren. “Exatamente por que não está claro.”
Em pesquisas futuras, Sheshadri visa identificar quais fontes de ondas gravitacionais são responsáveis por essas diferenças e extrapolar as amplitudes das ondas gravitacionais em frequências muito altas a partir de observações relativamente raras. Ela disse: “Entender como as ondas gravitacionais conduzem a circulação na atmosfera, a interação entre essas ondas e o fluxo médio – é realmente a próxima fronteira no entendimento da dinâmica atmosférica.”
Publicado em 03/09/2020 21h35
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