Imagine uma caneca enorme de frio, creme denso com café quente derramado por cima. Agora coloque-o em uma mesa giratória. Hora extra, os fluidos irão se misturar lentamente, e o calor do café acabará atingindo o fundo da caneca. Mas, como muitos de nós, bebedores de café impacientes, sabemos, mexer as camadas juntas é uma maneira mais eficiente de distribuir o calor e desfrutar de uma bebida que não seja escaldante ou gelada. A chave são os redemoinhos, ou vórtices, que se formou no líquido turbulento.

"Se você apenas esperasse para ver se a difusão molecular funcionou, levaria uma eternidade e você nunca teria seu café e leite juntos, "diz Raffaele Ferrari, Cecil e Ida Green Professor de Oceanografia no Departamento da Terra do MIT, Ciências Atmosféricas e Planetárias (EAPS).

Esta analogia ajuda a explicar uma nova teoria sobre os meandros do sistema climático na Terra - e outros planetas em rotação com atmosferas e / ou oceanos - delineada em um recente artigo PNAS de Ferrari e Basile Gallet, um pesquisador visitante da EAPS do Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA Saclay, França.

Pode parecer intuitivo que o equador queimado pelo sol da Terra seja quente, enquanto os pólos relativamente desprovidos de sol são frios, com um gradiente de temperaturas entre eles. Contudo, a extensão real desse gradiente de temperatura é relativamente pequena em comparação com o que poderia ser devido à forma como o sistema terrestre transporta fisicamente calor ao redor do globo para regiões mais frias, moderando os extremos.

De outra forma, "você teria temperaturas insuportavelmente altas no equador e [as latitudes temperadas] seriam congeladas, "diz Ferrari." Então, o fato de que o planeta é habitável, como nós sabemos, tem a ver com o transporte de calor do equador para os pólos. "

Ainda, apesar da importância do fluxo de calor global para a manutenção do clima contemporâneo da Terra, os mecanismos que impulsionam o processo não são totalmente compreendidos. É aí que entra o trabalho recente de Ferrari e Gallet:suas pesquisas apresentam uma descrição matemática da física que sustenta o papel que os vórtices marinhos e atmosféricos desempenham na redistribuição desse calor no sistema global.

O trabalho de Ferrari e Gallet baseia-se no de outro professor do MIT, o falecido meteorologista Norman Phillips, quem, em 1956, propôs um conjunto de equações, o "modelo Phillips, "para descrever o transporte global de calor. O modelo de Phillips representa a atmosfera e o oceano como duas camadas de densidade diferente uma sobre a outra. Embora essas equações capturem o desenvolvimento da turbulência e prevejam a distribuição da temperatura na Terra com relativa precisão, eles ainda são muito complexos e precisam ser resolvidos com computadores. A nova teoria de Ferrari e Gallet fornece soluções analíticas para as equações e prevê quantitativamente o fluxo de calor local, energia que alimenta os redemoinhos, e características de fluxo em grande escala. E sua estrutura teórica é escalonável, o que significa que funciona para redemoinhos, que são menores e mais densos no oceano, bem como ciclones na atmosfera que são maiores.

Colocando o processo em movimento

A física por trás dos vórtices em sua xícara de café difere da natureza. Os meios fluidos, como a atmosfera e o oceano, são caracterizados por variações de temperatura e densidade. Em um planeta em rotação, essas variações aceleram correntes fortes, enquanto o atrito - no fundo do oceano e na atmosfera - os retarda. Esse cabo de guerra resulta em instabilidades no fluxo de correntes em grande escala e produz fluxos turbulentos irregulares que experimentamos como um clima em constante mudança na atmosfera.

Os vórtices - fluxos circulares fechados de ar ou água - nascem dessa instabilidade. Na atmosfera, são chamados de ciclones e anticiclones (os padrões climáticos); no oceano são chamados de redemoinhos. Em ambos os casos, eles são transitórios, formações ordenadas, emergindo um tanto erraticamente e se dissipando com o tempo. Conforme eles giram para fora da turbulência subjacente, elas, também, são impedidos pelo atrito, causando sua eventual dissipação, que completa a transferência de calor do equador (parte superior do café quente) para os pólos (parte inferior do creme).

Diminuindo o zoom para a imagem maior

Embora o sistema terrestre seja muito mais complexo do que duas camadas, analisar o transporte de calor no modelo simplificado de Phillips ajuda os cientistas a resolver a física fundamental em jogo. Ferrari e Gallet descobriram que o transporte de calor devido aos vórtices, embora direcionalmente caótico, acaba movendo o calor para os pólos mais rápido do que faria um sistema de fluxo mais suave. De acordo com a Ferrari, "os vórtices fazem o trabalho canino de mover o calor, movimento não desorganizado (turbulência). "

Seria impossível explicar matematicamente cada característica de redemoinho que se forma e desaparece, então os pesquisadores desenvolveram cálculos simplificados para determinar os efeitos gerais do comportamento do vórtice, com base na latitude (gradiente de temperatura) e parâmetros de fricção. Adicionalmente, eles consideraram cada vórtice como uma única partícula em um fluido gasoso. Quando eles incorporaram seus cálculos aos modelos existentes, as simulações resultantes previram os regimes reais de temperatura da Terra com bastante precisão, e revelou que tanto a formação quanto a função de vórtices no sistema climático são muito mais sensíveis ao arrasto de fricção do que o previsto.

Ferrari enfatiza que todos os esforços de modelagem requerem simplificações e não são representações perfeitas de sistemas naturais - como neste caso, com a atmosfera e os oceanos representados como sistemas simples de duas camadas, e a esfericidade da Terra não é levada em consideração. Mesmo com essas desvantagens, A teoria de Gallet e Ferrari chamou a atenção de outros oceanógrafos.

"Desde 1956, meteorologistas e oceanógrafos tentaram, e falhou, para entender este modelo Phillips, "diz Bill Young, professor de oceanografia física no Scripps Institution of Oceanography, "O artigo de Gallet e Ferrari é a primeira previsão dedutiva bem-sucedida de como o fluxo de calor no modelo Phillips varia com o gradiente de temperatura."

Ferrari diz que responder a questões fundamentais sobre como funciona o transporte de calor permitirá que os cientistas entendam de maneira mais geral o sistema climático da Terra. Por exemplo, no passado profundo da Terra, houve momentos em que nosso planeta era muito mais quente, quando os crocodilos nadaram no Ártico e as palmeiras se espalharam pelo Canadá, e também épocas em que era muito mais frio e as latitudes médias estavam cobertas de gelo. "Claramente, a transferência de calor pode mudar em diferentes climas, então você gostaria de ser capaz de predizê-lo, ", diz ele." É uma questão teórica na mente das pessoas há muito tempo. "

Como a temperatura média global aumentou mais de 1 grau Celsius nos últimos 100 anos, e está a caminho de ultrapassar em muito isso no próximo século, a necessidade de compreender - e prever - o sistema climático da Terra tornou-se crucial para as comunidades, governos, e a indústria se adapta ao ambiente atual em mudança.

"Acho extremamente gratificante aplicar os fundamentos dos fluxos turbulentos a uma questão tão oportuna, "diz Gallet, "A longo prazo, esta abordagem baseada na física será a chave para reduzir a incerteza na modelagem climática. "

Seguindo os passos de gigantes da meteorologia como Norman Phillips, Jule Charney, e Peter Stone, que desenvolveu teorias climáticas seminais no MIT, este trabalho também segue uma advertência de Albert Einstein:"Fora da desordem, encontre a simplicidade. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.