Ressonância atmosférica, o que é esse fenômeno e ele pode prever o tempo?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

A atmosfera da Terra vibra como um sino gigante: as ondas viajam ao longo do equador em ambas as direções, circundando o globo. Esta conclusão foi alcançada por cientistas do Japão e dos Estados Unidos, confirmando a hipótese de longa data da ressonância atmosférica. O que é esse fenômeno e pode ser usado para prever o tempo e as mudanças climáticas de longo prazo?

Ondas Laplace

No início do século 19, o físico e matemático francês Pierre-Simon Laplace comparou a atmosfera da Terra a um vasto oceano cobrindo o planeta e derivou fórmulas, conhecidas hoje como equações de marés de Laplace, usadas em cálculos para fazer previsões do tempo.

Laplace acreditava que a atmosfera tinha seu próprio fluxo e refluxo, bem como ondas de massas de ar e energia térmica. Entre outras coisas, ele mencionou as oscilações verticais na superfície da Terra, propagando-se na direção horizontal, que podem ser registradas por mudanças na pressão da superfície.

As marés de calor atmosférico associadas à rotação da Terra foram descobertas por geofísicos. No entanto, as ondas horizontais não puderam ser detectadas. E agora está claro o porquê.

Como Takatoshi Sakazaki da Escola de Graduação em Ciências da Universidade de Kyoto e Kevin Hamilton, professor do Centro de Pesquisa do Pacífico Internacional da Universidade do Havaí em Manoa, descobriram, as ondas de Laplace têm escalas muito grandes - cobrem quase hemisférios inteiros - e muito curtas períodos, menos de um dia.

Portanto, eles foram negligenciados no estudo de fenômenos atmosféricos locais, como tempestades, e no estudo de movimentos grandes, mas de longo prazo, das massas de ar.

Diagrama de comprimentos de onda horizontais e períodos de fenômenos atmosféricos que foram previamente estudados por cientistas. A estrela é ondas gigantes. Contorno vermelho - zona de ressonância da onda de Laplace

"Tabuleiro de Xadrez" da Terra

Os autores do estudo analisaram dados do Centro Europeu de Previsões Meteorológicas de Médio Prazo (ECMWF) para 38 anos - de 1979 a 2016 inclusive, incluindo mudanças horárias na pressão atmosférica superficial em toda a superfície do planeta. Como resultado, dezenas de modos de onda até então desconhecidos foram identificados - sistemas de oscilações harmônicas, que os cientistas chamam de modos.

Os pesquisadores estavam especialmente interessados em ondas com períodos curtos de duas a 33 horas, propagando-se horizontalmente na atmosfera ao redor do globo a uma velocidade tremenda - mais de 1100 quilômetros por hora.

As zonas de alta e baixa pressão associadas a essas ondas criam um padrão quadriculado característico no mapa, que, no entanto, difere para cada um dos quatro modos principais - Kelvin, Rossby, ondas gravitacionais e uma combinação dos dois últimos.

Um padrão quadriculado criado pelas regiões de baixa (azul) e alta (vermelha) pressão. Como exemplo, dois dos quatro modos principais são mostrados - Kelvin e gravitacional com períodos de oscilação da atmosfera terrestre de 32, 4 e 9, 4 horas. Resultados de simulação de computador

Sino de ar

Descobriu-se que a atmosfera da Terra é como um sino tocando, quando sobretons altos são sobrepostos no fundo principal de baixa frequência. É essa combinação de som de fundo profundo com transbordamentos sutis que torna o toque de sinos tão agradável.

Só a "música" da Terra não é som, mas ondas de pressão atmosférica, cobrindo todo o globo. Cada um dos quatro modos principais é uma ressonância da atmosfera, por analogia com as ressonâncias de um sino. Neste caso, as ondas Kelvin de baixa frequência se propagam de leste para oeste, e o resto - de oeste para leste.

Os cientistas calcularam os parâmetros de ressonância decorrentes da adição de todos os quatro modos, coincidindo exatamente com as previsões de Laplace. E isso confirmou sua ideia principal de que o clima é controlado por ondas de pressão atmosférica.

"É gratificante que a visão de Laplace e de outros físicos pioneiros tenha sido plenamente confirmada dois séculos depois", citou Takatoshi Sakazaki em um comunicado à imprensa da Universidade do Havaí em Manoa.

"Nossa identificação de tantos modos em dados do mundo real mostra que a atmosfera realmente toca como um sino", continua Hamilton.

Os autores apontam a ocorrência de zonas de aquecimento ocultas devido à convecção atmosférica e o mecanismo em cascata de propagação de fluxos turbulentos de energia como possíveis causas de ressonância global.

Deslocamento das regiões de baixa (azul) e alta (vermelha) pressão para cada um dos quatro modos principais: A - Ondas de Rossby; B - ondas de Kelvin; С - ondas gravitacionais; D - modo misto Rossby - gravidade

Ventos equatoriais na Antártica

Outro fenômeno associado às ondas na atmosfera foi recentemente explicado por cientistas americanos da Universidade Clemson na Carolina do Sul e da Universidade do Colorado em Boulder.

Observando vórtices polares na estação McMurdo na Antártica - correntes circulares massivas de ar frio que espiralam sobre cada um dos pólos da Terra - eles notaram que o vórtice antártico é sincronizado com as fases de oscilações quase bienais na atmosfera (QBO).

Aproximadamente a cada dois anos, os ventos latitudinais que sopram no equador da Terra mudam de direção de leste para oeste. A frente começa a uma altitude de mais de 30 quilômetros na estratosfera e se move para baixo a uma velocidade de cerca de um quilômetro por mês. Após 13-14 meses, a inversão do vento ocorre simultaneamente ao longo de todo o equador. Um ciclo completo, portanto, leva de 26 a 28 meses.

Esquema geral de oscilações quase bienais

Os americanos descobriram que durante a fase oriental do QBO, o vórtice antártico se expande e se contrai durante a fase ocidental. Isso é explicado pela passagem de ondas gravitacionais meridionais do equador aos pólos através de diferentes camadas da atmosfera.

Essas ondas foram registradas e sugeriram que estão associadas a uma mudança na direção dos ventos que sopram no equador - a uma distância de mais de nove mil quilômetros do local de observação. A comparação com os dados do sistema de observação meteorológica e atmosférica MERRA-2 da NASA para o período de 1999 a 2019 confirmou totalmente isso.

Há muito se sabe que a expansão da zona de vórtice polar traz o clima frio para latitudes médias. No entanto, o fato de a causa raiz ser uma mudança na direção dos ventos estratosféricos nos trópicos foi uma surpresa.

Os cientistas esperam que os padrões que identificaram levem a modelos de clima e de circulação atmosférica mais precisos para a previsão do tempo. Ao mesmo tempo, preocupam-se com o fato de que, nas últimas décadas, o impacto dos fatores antrópicos vem aumentando.

Então, há quatro anos, percebemos uma violação da ciclicidade da FTC. Em fevereiro de 2016, a transição para os ventos de leste foi interrompida abruptamente. Um dos possíveis motivos é o aquecimento global.

Alarme

De preocupação ainda maior é a frequência crescente de eventos climáticos extremos, muitas vezes também associados a anomalias das ondas atmosféricas. Em particular, os cientistas apontam para a ocorrência de ondas atmosféricas de Rossby quase estacionárias no hemisfério norte.

As ondas de Rossby são curvas gigantescas em ventos de alta altitude que têm um efeito profundo no clima. Se eles passam para um estado quase estacionário, a mudança de ciclones e anticiclones é suspensa. Como resultado, em alguns lugares chove durante semanas, transformando-se em inundações, enquanto em outros ocorre um calor anormal, como este ano no Ártico.

As ondas de calor e as secas que atingem a América Central e do Norte, a Europa Central e Oriental, a região do Mar Cáspio e o Leste Asiático várias vezes durante o verão e com duração de uma a duas semanas, causam sérios danos à agricultura. Por vários anos consecutivos, as colheitas têm diminuído aqui, o que complica a situação social.

Portanto, a "música" da Terra cada vez com mais frequência soa não como uma melodia suave, mas como um alarme alarmante.