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Os cientistas resolvem o mistério de plumas de gelo que podem prever tempestades supercelulares mortais
Um novo estudo conduzido pela Universidade de Stanford, publicado em 10 de setembro na Science , revela o mecanismo físico dessas plumas, que se formam acima da maioria dos tornados mais prejudiciais do mundo.
Por Stanford University - 09/09/2021


Uma renderização em 3D do experimento de simulação que produz o AACP no lado protegido ou a sotavento da parte superior do overshooting. (Crédito da imagem: Leigh Off, David Semeraro). Crédito: Leigh Off, David Semeraro

Quando uma nuvem nebulosa de gelo e vapor d'água sobe acima do topo de uma forte tempestade, há uma boa chance de um tornado violento, ventos fortes ou granizo maiores do que bolas de golfe atingirem a Terra logo abaixo.

Um novo estudo conduzido pela Universidade de Stanford, publicado em 10 de setembro na Science , revela o mecanismo físico dessas plumas, que se formam acima da maioria dos tornados mais prejudiciais do mundo.

Pesquisas anteriores mostraram que eles são fáceis de detectar em imagens de satélite, geralmente 30 minutos ou mais antes que o clima severo alcance o solo. "A questão é: por que essa pluma está associada às piores condições e como ela existe em primeiro lugar? Essa é a lacuna que estamos começando a preencher", disse o cientista atmosférico Morgan O'Neill, principal autor do novo estudo .

A pesquisa ocorre pouco mais de uma semana depois que tempestades supercelulares e tornados surgiram entre os remanescentes do furacão Ida enquanto atingiam o nordeste dos Estados Unidos, agravando a devastação provocada por toda a região por chuvas recordes e enchentes.

Entender como e por que as plumas tomam forma acima de tempestades poderosas pode ajudar os meteorologistas a reconhecer perigos iminentes semelhantes e emitir avisos mais precisos sem depender de sistemas de radar Doppler, que podem ser desativados pelo vento e granizo - e ter pontos cegos mesmo em dias bons. Em muitas partes do mundo, a cobertura do radar Doppler é inexistente.

"Se houver um furacão terrível, podemos vê-lo do espaço. Não podemos ver tornados porque eles estão escondidos abaixo do topo das tempestades. Precisamos entender melhor os topos", disse O'Neill, que é assistente professor de ciência do sistema terrestre na Escola de Ciências da Terra, Energia e Ambientais de Stanford (Stanford Earth).

Tempestades de supercélulas e turbulência explosiva

As tempestades que geram a maioria dos tornados são conhecidas como supercélulas, uma raça rara de tempestade com uma corrente ascendente em rotação que pode se lançar em direção ao céu a velocidades superiores a 150 milhas por hora, com potência suficiente para perfurar a tampa usual da troposfera da Terra, a camada mais baixa de nossa atmosfera.

Em tempestades mais fracas, as correntes crescentes de ar úmido tendem a se achatar e se espalhar ao atingir essa tampa, chamada tropopausa, formando uma nuvem em forma de bigorna. A intensa corrente ascendente de uma tempestade de supercélulas pressiona a tropopausa para cima, para a próxima camada da atmosfera, criando o que os cientistas chamam de topo ultrapassado. "É como uma fonte empurrando a próxima camada de nossa atmosfera", disse O'Neill.
 
Conforme os ventos na atmosfera superior correm sobre e ao redor do topo da tempestade protuberante, às vezes eles levantam fluxos de vapor de água e gelo, que disparam para a estratosfera para formar a pluma reveladora, tecnicamente chamada de Pluma Cirrus Acima da Bigorna, ou AACP .

O ar ascendente do topo ultrapassado logo acelera de volta à troposfera, como uma bola que acelera para baixo depois de subir no alto. Ao mesmo tempo, o ar flui sobre a cúpula na estratosfera e, em seguida, desce pelo lado protegido.

Usando simulações de computador de tempestades supercelulares idealizadas, O'Neill e colegas descobriram que isso excita uma tempestade de vento em declive na tropopausa, onde a velocidade do vento ultrapassa 240 milhas por hora. "O ar seco descendo da estratosfera e o ar úmido subindo da troposfera se juntam neste jato muito estreito e rápido. O jato se torna instável e a coisa toda se mistura e explode em turbulência", disse O'Neill. "Essas velocidades no topo da tempestade nunca foram observadas ou hipotetizadas antes."

Salto hidráulico

Os cientistas há muito reconheceram que ultrapassar os topos das tempestades de ar úmido subindo para a alta atmosfera pode agir como obstáculos sólidos que bloqueiam ou redirecionam o fluxo de ar. E foi proposto que as ondas de ar úmido fluindo sobre esses topos podem quebrar e elevar a água para a estratosfera. Mas nenhuma pesquisa até agora explicou como todas as peças se encaixam.

A nova modelagem sugere a explosão de turbulência na atmosfera que acompanha o desdobramento das tempestades em plumas por meio de um fenômeno denominado salto hidráulico. O mesmo mecanismo está em jogo quando os ventos fortes caem sobre as montanhas e geram turbulência no lado da encosta, ou quando a água descendo o vertedouro de uma represa abruptamente explode em espuma ao se juntar à água que se move mais lentamente abaixo.

Leonardo DaVinci observou o fenômeno na água corrente já em 1500, e os antigos romanos podem ter procurado limitar os saltos hidráulicos nos projetos de aquedutos. Mas até agora os cientistas atmosféricos só viram a dinâmica induzida pela topografia sólida. A nova modelagem sugere que um salto hidráulico também pode ser desencadeado por obstáculos de fluidos na atmosfera feitos quase inteiramente de ar e que mudam de forma a cada segundo, quilômetros acima da superfície da Terra.

As simulações sugerem que o início do salto coincide com uma injeção surpreendentemente rápida de vapor d'água na estratosfera, mais de 7.000 quilogramas por segundo. Isso é duas a quatro vezes maior do que as estimativas anteriores. Uma vez que chega ao mundo superior, a água pode permanecer lá por dias ou semanas, potencialmente influenciando a quantidade e a qualidade da luz solar que atinge a Terra por meio da destruição do ozônio na estratosfera e do aquecimento da superfície do planeta. "Em nossas simulações que exibem plumas, a água atinge as profundezas da estratosfera, onde possivelmente poderia ter um impacto climático mais de longo prazo", disse o co-autor Leigh Orf, cientista atmosférico da Universidade de Wisconsin-Madison.

De acordo com O'Neill, as aeronaves de pesquisa de alta altitude da NASA só recentemente ganharam a capacidade de observar os ventos tridimensionais no topo das tempestades e ainda não observaram a produção de AACP de perto. “Agora temos a tecnologia para verificar nossos resultados de modelagem e ver se eles são realistas”, disse O'Neill. "Esse é realmente um ponto ideal para a ciência."

 

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