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

Um novo estudo conduzido pela Stanford University, publicado em 10 de setembro em Ciência , 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 mau tempo chegue ao solo. "A questão é, por que esta pluma está associada às piores condições, e como ele existe em primeiro lugar? Essa é a lacuna que estamos começando a preencher, "disse o cientista atmosférico Morgan O'Neill, autor principal do novo estudo.

A pesquisa acontece pouco mais de uma semana depois que tempestades e tornados supercelulares surgiram entre os remanescentes do furacão Ida enquanto eles avançavam para o nordeste dos Estados Unidos, devastação agravada em toda a região por chuvas recordes e inundações repentinas.

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 pode ser destruída 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 vai haver um furacão terrível, podemos ver 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 professor assistente de ciência do sistema terrestre na Escola da Terra de Stanford, Energia e Ciências Ambientais (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 lançar-se para o céu a velocidades superiores a 150 milhas por hora, com energia suficiente para perfurar a tampa usual da troposfera da Terra, a camada mais baixa de nossa atmosfera.

Em tempestades mais fracas, correntes ascendentes de ar úmido tendem a se achatar e se espalhar ao atingir esta tampa, chamada de 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 contra a próxima camada de nossa atmosfera, "O'Neill disse.

À medida que os ventos na atmosfera superior correm sobre e ao redor do topo da tempestade protuberante, eles às vezes levantam correntes de vapor de água e gelo, que disparam para a estratosfera para formar a pluma reveladora, tecnicamente chamado 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 após atingir o pico. Ao mesmo tempo, o ar está fluindo sobre a cúpula na estratosfera e então descendo pelo lado protegido.

Usando simulações de computador de tempestades supercelulares idealizadas, O'Neill e seus colegas descobriram que isso excita uma tempestade de vento descendente na tropopausa, onde a velocidade do vento excede 240 milhas por hora. "O ar seco descendo da estratosfera e o ar úmido subindo da troposfera unem-se neste ponto muito estreito, jato louco-rápido. O jato se torna instável e tudo se mistura e explode em turbulência, "O'Neill disse." 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 ventos fortes caem sobre montanhas e geram turbulência no lado da encosta, ou quando a água correndo suavemente pelo vertedouro de uma barragem repentinamente explode em espuma ao se juntar à água que se move mais lentamente abaixo.

Leonardo DaVinci observou o fenômeno na água corrente desde 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, milhas acima da superfície da Terra.

As simulações sugerem que o início do salto coincide com uma injeção surpreendentemente rápida de vapor de água na estratosfera, mais de 7.000 quilogramas por segundo. Isso é duas a quatro vezes maior do que as estimativas anteriores. Assim que chegar ao mundo superior, a água pode ficar lá por dias ou semanas, potencialmente influenciando a quantidade e a qualidade da luz solar que chega à 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 profundamente a estratosfera, onde possivelmente poderia ter um impacto climático de longo prazo, "disse o co-autor Leigh Orf, um cientista atmosférico da Universidade de Wisconsin-Madison.

De acordo com O'Neill, 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 para ver se eles são realistas, "O'Neill disse." Esse é realmente um ponto ideal para a ciência. "