Um físico do século 18 primeiro previu a existência de um coro de ondas atmosféricas que voam ao redor da Terra. Os cientistas finalmente os encontraram.
A atmosfera é uma bagunça tão turva que desafia a análise até mesmo pelos algoritmos meteorológicos mais sofisticados de hoje. Mas sua complexidade não impediu o cientista francês Pierre-Simon Laplace de decifrar um aspecto simples do comportamento atmosférico no final do século XVIII. Apesar de nunca ter visto um mapa meteorológico global, Laplace desenvolveu uma teoria prevendo que ondas de pressão do tamanho de um continente iriam periodicamente varrer o globo.
“A modelagem atmosférica do tipo lápis e papel era muito grosseira até o século 20, mas Laplace conseguiu fazer isso”, disse David Randall, um cientista atmosférico da Colorado State University. “Eu acho isso incrível.”
As ideias de Laplace lançaram uma busca de séculos para encontrar essas ondas. Mas as oscilações mostraram-se tão suaves quanto gigantes, recusando-se obstinadamente a se revelar até mesmo para alguns dos maiores nomes das ciências físicas.
Por fim, a busca acabou. Um novo e requintado conjunto de dados meteorológicos descobriu o que milhões de leituras do barômetro perderam: um conjunto de ondas que correm ao redor da Terra, cobrindo-a em uma colcha de retalhos de zonas de alta e baixa pressão. A detecção é uma comprovação impressionante de uma teoria antiga.
“Este é um trabalho realmente bonito”, disse Leo Donner, geofísico da Universidade de Princeton que não esteve envolvido no estudo.
As cordas de piano do planeta
Laplace se perguntou até que ponto a lua comprimia gravitacionalmente o ar ao redor de nosso planeta e começou a analisar os tipos de ondas que poderiam surgir como consequência. Ele imaginou a atmosfera como um fluido fino em uma esfera lisa e concluiu que a gravidade deveria fixar uma classe de ondas no solo, onde se moveriam mais ou menos horizontalmente – ondulações bidimensionais que abraçam a superfície do planeta. “Ele foi realmente o primeiro cara com essa imagem em sua mente”, disse Kevin Hamilton, um professor emérito da Universidade do Havaí, M’noa e co-autor da nova pesquisa. “Foi um insight incrível.”
Laplace não nomeou essas ondas ou calculou seu comportamento em detalhes, mas os cientistas atmosféricos modernos agora as descrevem como “modos normais” – ondas que ressoam como o toque de um sino. O modo mais simples aumenta a pressão em um hemisfério e diminui no outro. Os modos mais energéticos criam padrões xadrez de zonas menores de alta e baixa pressão. Eles correm ao redor do globo a velocidades superiores às da maioria dos aviões de passageiros, principalmente para leste e oeste.
Ondas de alta pressão (vermelha) e baixa pressão (azul) viajam ao redor da Terra. Esses quatro globos representam quatro modos diferentes de ondas de pressão.
Embora Laplace tenha começado pensando na influência da lua, as ondas surgem mais do pandemônio geral da Terra: Tempestades furiosas. Os ventos batem nas cadeias de montanhas. A turbulência agita ainda mais a panela. Alguma porção da energia desses abusos coletivos ativa os modos normais, que são os únicos tons aos quais a atmosfera pode responder. “É como um gatinho andando nas teclas do piano”, disse Randall. “A força aleatória pode mostrar quais cordas estão no piano.”
Laplace colocou na cabeça das pessoas a ideia de que tais ondas podem existir, e sua matemática deu aos físicos as ferramentas para calcular a sintonia da atmosfera. Mas alguém conseguiria ouvir suas notas?
Na mesma época em que Laplace apareceu com seu modelo, exploradores e naturalistas, incluindo Alexander von Humboldt, notaram que a pressão nos trópicos aumentava e diminuía a cada 12 horas. O tempo diário ligava as mudanças ao aquecimento do sol, mas os teóricos não conseguiam explicar por que o efeito era tão grande. O mistério continuou a intrigar os cientistas por quase um século, até que Lord Kelvin adivinhou em 1882 que o ciclo de aquecimento do sol ressoava com uma das “oscilações livres” de Laplace. Ele achava que o sol poderia dar um empurrão descomunal porque criava vibrações precisamente na frequência de uma das oscilações de Laplace, assim como um cantor de ópera pode estilhaçar uma taça de vinho com o tom certo. Sua proposição acabou se revelando errada – pesquisadores na década de 1960 determinaram que um fenômeno mais complicado amplifica a influência solar – mas estimulou os cientistas a trabalhar os detalhes quantitativos da teoria de Laplace e calcular exatamente quais frequências os modos normais deveriam ter.
As notas mais baixas correspondentes a essas previsões não entrariam no registro científico até a década de 1980, primeiro de uma análise de Taroh Matsuno, um meteorologista japonês, e depois de outra de Hamilton e Rolando Garcia, agora no National Center for Atmospheric Research. Hamilton e Garcia encontraram o conjunto de dados ideal: uma estação meteorológica na Indonésia colonial que realizava medições de pressão por hora ao longo de quase um século, perdendo apenas duas leituras em 79 anos.
O registro foi tão meticuloso quanto prolongado, com os pesquisadores contando com um microscópio para registrar variações de mercúrio tão finas quanto um centésimo de polegada. Analisando este e outros conjuntos de dados, Hamilton e Garcia foram capazes de distinguir apenas os traços de um dos modos normais mais longos.
As ondas mais curtas pareciam fora do alcance até o ano passado, quando o Centro Europeu de Previsões Meteorológicas de Médio Prazo divulgou um conjunto de dados chamado ERA5. O produto combina leituras de milhares de estações terrestres, balões meteorológicos e satélites, e usa modelos meteorológicos para preencher os espaços em branco de forma inteligente. O resultado é um conjunto de dados com o objetivo de reconstruir as mesmas informações que teriam sido capturadas por uma rede global de estações meteorológicas espaçadas a cada 10 quilômetros e fazendo leituras a cada hora de 1979 a 2016.
Takatoshi Sakazaki, um professor assistente da Universidade de Kyoto no Japão, não estava procurando pelas ondas de Laplace quando ERA5 foi lançado. Ele estava inicialmente focado nas variações de temperatura e via os picos de pressão como um ruído indesejável. Mas quando ele percebeu que eles poderiam ser modos normais, ele os colocou sobre as expectativas teóricas, e voila: “Achei que eles combinavam quase perfeitamente”, disse ele.
Sakazaki não tinha certeza de quão importante era sua descoberta, então ele procurou Hamilton, que havia sido seu orientador de pesquisa de pós-doutorado, para verificar se os picos poderiam ser de interesse.
Eles foram. Hamilton havia passado décadas antes de 1980 vasculhando dados de estações meteorológicas em busca de indícios dos tons atmosféricos mais baixos. Agora, em sua caixa de entrada, ele de repente tinha evidências da sinfonia completa.
Sakazaki e Hamilton trabalharam juntos para analisar a estrutura tridimensional completa das ondas em detalhes excruciantes; eles publicaram suas descobertas na edição de julho do Journal of the Atmospheric Sciences. Sua pesquisa detalha o comportamento de muitas dezenas de ondas além das poucas encontradas na década de 1980. Algumas das ondas de energia mais alta circulam de alta pressão para baixa pressão uma dúzia de vezes enquanto se estendem ao redor do planeta; conjuntos adicionais de ondas são gerados pela rotação da Terra. Todos os seus resultados correspondem precisamente às previsões baseadas nas equações de Laplace. “Eu apenas imaginei quando vi isso”, disse Hamilton, “que Laplace e Kelvin e aqueles caras ficariam animados em ver algo assim.”
Publicado em 14/08/2020 19h44
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