Com um novo experimento em laboratório, pesquisadores do Reino Unido e da França recriaram as cascatas características de energia e momento angular que sustentam as principais características da atmosfera terrestre. Em artigo publicado na revista Physical Review Letters , uma equipe liderada por Peter Read, da Universidade de Oxford, obteve novas informações sobre como as flutuações de energia em fluxos turbulentos estão ligadas ao seu tamanho, além de descobrir comportamentos que os modelos atmosféricos atuais ainda não conseguem explicar.

Apesar de toda a sua complexidade, muitas propriedades em grande escala da atmosfera terrestre podem ser descritas por leis matemáticas relativamente simples. Entre as mais importantes está a "cascata" de energia e movimento rotacional entre fluxos que abrangem escalas vastamente diferentes: desde correntes de jato que se estendem por milhares de quilômetros até minúsculos vórtices com apenas alguns metros de diâmetro.

Essa cascata é fundamental para a compreensão do efeito da turbulência. Na teoria atmosférica moderna, existe uma relação inversa entre a magnitude de um fluxo e a energia cinética contida em suas flutuações, o que permite aos pesquisadores descrever a turbulência usando um espectro de energia cinética. Isso, por sua vez, ajuda os climatologistas a rastrear como a energia é distribuída em diferentes escalas de comprimento.

Até o momento, contudo, persiste uma clara discrepância entre as medições do mundo real e os espectros previstos pelos principais modelos. Embora extensas observações tenham sido fornecidas por aeronaves, essas medições são limitadas, capturando dados apenas ao longo de trajetórias de voo estreitas. Como resultado, construir uma imagem global e completa da turbulência atmosférica tem se mostrado extremamente desafiador.

Para superar essas limitações, a equipe de Read recorreu a uma configuração de laboratório que recria a física de uma atmosfera planetária. Seu experimento utilizou um tanque cilíndrico rotativo com uma parede interna central, com o espaço entre as paredes preenchido até uma profundidade de 24 cm com uma mistura de água e glicerol.

À medida que o cilindro girava a velocidades entre 0,5 e 10 rotações por minuto, os pesquisadores impuseram um gradiente de temperatura: aquecendo a parte inferior próxima à parede externa para simular o equador quente e resfriando a parte inferior próxima à parede interna para representar os polos. Essa configuração gerou fluxos convectivos que se assemelham bastante à circulação atmosférica.

Ao semear o fluido com minúsculas partículas e rastrear seu movimento, a equipe conseguiu visualizar em detalhes a turbulência resultante, capturando como a energia e o movimento rotacional se propagam em uma ampla gama de escalas.

A análise desses fluxos permitiu aos pesquisadores calcular diretamente as cascatas de energia e momento angular. Nas maiores escalas, eles observaram uma queda acentuada no espectro de energia cinética, indicando que a energia de flutuação diminui rapidamente à medida que os fluxos se tornam menores. Em escalas menores, no entanto, o espectro se estabilizou, mostrando que as flutuações retêm energia semelhante mesmo quando seu tamanho diminui — o que está de acordo com as observações atmosféricas.

O experimento também revelou um comportamento dual surpreendente: enquanto a energia se propagava para cima, transferindo-se de vórtices menores para fluxos maiores, o momento angular se propagava para baixo, de grandes vórtices para os menores. Essa transferência oposta ajuda a explicar o espectro de energia acentuado observado em grandes escalas.

Em ambos os casos, a intensidade da cascata aumentou com a rotação mais rápida e com uma maior diferença de temperatura entre as paredes. Crucialmente, a equipe também descobriu que a cascata depende da diferença de temperatura vertical dentro do fluido: uma característica não prevista pelos modelos atmosféricos atuais. Por enquanto, a origem desse efeito permanece incerta.

A equipe de Read espera agora que seus resultados ajudem os climatologistas a entender melhor como a atmosfera da Terra é moldada pelas cascatas acopladas de energia e momento angular. Ao incorporar esses efeitos em modelos aprimorados, os cientistas poderão reproduzir com mais precisão o comportamento atmosférico real. Em última análise, isso poderá levar a uma compreensão mais profunda de como os fluxos turbulentos evoluirão à medida que o clima da Terra continuar a aquecer.