O frio açoitando um campo do Alabama nesta manhã de inverno afasta o calor, forçando lentamente os dedos das mãos e dos pés dormentes.

Sob um monótono, céu nublado, Pesquisadores da Universidade do Mississippi percorrem uma pastagem úmida ao norte de Huntsville, enfrentando o congelamento e verificando uma série de 12 sensores que os cientistas do Centro Nacional de Acústica Física da UM estão usando em suas pesquisas sobre detecção e rastreamento de tornados.

Cada sensor consiste em uma bateria marinha de 12 volts, painel solar, pára-brisas abobadado, o cabeamento necessário e um dispositivo projetado para UM que registra os sinais infra-sônicos, ou infra-som - sinais acústicos em frequências abaixo do que os humanos podem ouvir. Já se sabe há algum tempo que os tornados geram esses sons de baixa frequência, embora o mecanismo exato para esta produção não seja conhecido.

Mas os pesquisadores da UM esperam que, ao "ouvir" tornados através do infra-som, eles podem desenvolver tecnologia para revolucionar a detecção e rastreamento de tornados, e melhorar muito os métodos de alerta de tornado.

"O radar não detecta tornados, "disse Roger Waxler, um dos principais cientistas do National Center for Physical Acoustics, ou NCPA, e professor associado de pesquisa de física e astronomia na UM. "Os comprimentos de onda são muito longos, e eles estão olhando para cima. Tornados são atualmente detectados à vista. Os serviços meteorológicos usam observadores (pessoas). O radar mostra a rotação em grande escala em tempestades que podem gerar tornados, mas nem sempre o fazem.

"Essas matrizes em particular estão sendo implantadas especificamente para pesquisas em detecção e rastreamento de tornados. A geometria das matrizes está sintonizada com os sinais emitidos por tornados."

Mesmo com a evolução da tecnologia meteorológica, detectar e rastrear tornados é uma tarefa quase impossível. Mas, embora tornados imprevisivelmente caiam das nuvens que escurecem, as violentas tempestades deixam uma marca distinta e danos duradouros à medida que avançam pela paisagem.

Em todo o país, mais de 24, 400 tornados foram relatados desde 2000, de acordo com os Centros Nacionais de Informação Ambiental. Esses tornados mataram quase 1, 500 pessoas e resultou em bilhões de dólares em danos.

No domingo de Páscoa (12 de abril) e na madrugada de segunda-feira, uma série de furiosos tornados mais uma vez atingiram partes do país, matando cerca de 20 pessoas no sul, incluindo pelo menos 11 no Mississippi, e destruindo inúmeras casas e edifícios.

O Mississippi foi afetado por mais de 2, 700 tornados desde 1º de janeiro, 1950, de acordo com o Storm Events Database, que é mantido pela Administração Oceânica e Atmosférica Nacional, ou NOAA. Esses tornados, uma média de quase 39 por ano, resultaram em cerca de 500 fatalidades, mais de 6, 750 feridos e cerca de US $ 2,8 bilhões em danos materiais.

"A pesquisa de infra-sons de tornado que está acontecendo na NCPA tem potencial para um impacto significativo em nossa região e em todo o país, "disse Josh Gladden, Vice-chanceler da UM para pesquisas e programas patrocinados. "Mais importante, tem o potencial de aumentar e melhorar os sistemas de alerta precoce em nossas comunidades, que poderia salvar vidas.

"Outro impacto significativo, Contudo, é o potencial de obter muito mais dados de rastreamento para tornados do que os cientistas têm atualmente. Isso deve levar a um melhor entendimento de quais condições especificamente desencadeiam tornados e quais caminhos eles seguem. "

Infrasound no solo

O grupo infra-som no NCPA, liderado por Waxler, comecei a examinar o uso de infra-som, que normalmente é gerado por tornados, furacões, interações e explosões atmosfera-oceano, duas décadas atrás, como meio de detectar testes clandestinos de armas nucleares.

Desde então, o trabalho se expandiu para outras esferas, incluindo o monitoramento da intensidade dos furacões ao longo da costa atlântica, perícia de eventos explosivos, sondando ventos na alta atmosfera e a pesquisa de tornados, que começou em 2011 com arrays implantados em Oklahoma.

A atual detecção de tornados e pesquisa de rastreamento, intitulado "Infrasound Detection of Tornadoes, "começou em 2017 e é financiado pela NOAA por meio dos prêmios Nº NA17OAR4590168 e NA18OAR4590305.

Juntando-se a Waxler no projeto está Garth Frazier, um cientista pesquisador sênior da NCPA e um professor associado de pesquisa de engenharia elétrica da UM, e Carrick Talmadge, também cientista pesquisador sênior da NCPA e professor associado de pesquisa em ciências da comunicação e distúrbios.

"Nos últimos dois a três anos, temos sido capazes de demonstrar consistentemente a capacidade de detectar e rastrear com precisão tornados que ocorreram no norte do Alabama com matrizes de sensores que estão a até (62 milhas), "Frazier disse.

“Ainda estamos tentando reunir dados suficientes para aumentar a compreensão sobre o que faz com que o som seja gerado e como garantir que o que estamos ouvindo seja causado por um tornado e não apenas por um fenômeno relacionado a tempestades. estamos confiantes de que o som que temos detectado e rastreado não é um trovão. "

O trio é apoiado nesta pesquisa por vários membros da equipe Ole Miss, já que o trabalho de explorar como detectar e rastrear tornados é muito mais do que apenas colocar um array em um campo e esperar para coletar dados. Trabalho duro está envolvido, junto com muita direção.

É por isso que em uma sexta-feira gelada de fevereiro, Hank Buchanan e Brian Carpenter, dois engenheiros de pesquisa e desenvolvimento da NCPA, são empacotados contra um vento cortante enquanto caminham por um pasto na Estação de Pesquisa Agrícola Winifred Thomas da Universidade A&M do Alabama.

Os 12 sensores desta matriz, plantado próximo a um zumbido, rodovia movimentada em uma fatia dos 972 acres da estação em Hazel Green, são apenas um conjunto de sete que foram implantados nesta temporada em uma linha que corta aproximadamente do norte da Louisiana ao norte do Alabama.

Geralmente, oito a 10 matrizes são implantadas a cada temporada, com locais que às vezes se estendem até o canto noroeste da Geórgia ou perto de casa, como na UM Field Station, a nordeste do campus Ole Miss no condado de Lafayette. Cada matriz geralmente consiste em cerca de oito sensores.

Escolher a localização exata de um array é complicado, Buchanan disse. Locais indesejáveis ​​incluem áreas que podem inundar - água mais eletrônicos equivalem a sensores mortos. Áreas razoavelmente abertas fornecem a luz solar necessária para alimentar os sensores, mas às vezes criaturas curiosas, como ratos do campo, mastigar a fiação. O roubo de equipamento é muito raro, e geralmente é apenas uma bateria.

Às vezes, a localização de um array é simplesmente onde os pesquisadores podem obter permissão para instalá-lo, o que pode ser um obstáculo quando se trata de terras privadas. As matrizes são discretas, mas precisam de manutenção, então isso significa bom acesso e, às vezes, movimentação de matrizes de locais de caça privilegiados.

"De ano para ano, podemos usar os mesmos locais se o proprietário estiver disposto e não houver problemas com um determinado local, "Buchanan disse." A ideia geral é posicionar os arrays de uma forma que maximize nossas chances de pelo menos um array estar próximo o suficiente para capturar dados acústicos de um tornado se um ocorrer em algum lugar na região.

"Também é benéfico ter mais de um array obtendo dados no mesmo evento. Esse padrão, junto com a tendência geral de as tempestades se moverem na direção oeste-leste em nossa região, nos deixou com uma linha que se estende de oeste a leste através do norte do Alabama como nossa área preferida para implantar as matrizes. "

Coletando os dados

Os dados das matrizes são coletados a cada seis a oito semanas, o que também fornece um tempo para os reparos necessários. Usualmente, isso significa Buchanan e outro membro da equipe da NCPA ou pesquisador dirigindo pelos campos e florestas de madeira de lei do Vale do Rio Tennessee. Nesta primeira sexta-feira, Carpenter acompanha Buchanan.

A dupla estaciona o Ford F-250 do centro de acústica em uma estrada de terra na saída da U.S. 431 e começa a trabalhar na estação de pesquisa agrícola. Em sua lista de verificação está o download de dados de dois eventos recentes de tornádicos na área, e os 12 sensores precisam ser verificados.

De um dos primeiros invólucros de bateria, Carpenter sacode um rato que havia se enterrado na caixa para se proteger do frio. Alguns dos sensores têm baterias descarregadas, assim, as luvas são retiradas e o intrincado trabalho de desconectar e reconectar os fios é concluído antes que os dedos fiquem rígidos com o ar gelado.

Depois de uma hora e meia nos elementos, o trabalho está concluído. Um rápido almoço mexicano é consumido - Buchanan e Carpenter acreditam que uma das vantagens desse trabalho e das longas viagens é comer em restaurantes diferentes durante suas viagens.

Cerca de 60 milhas de volta em direção ao Mississippi e ao calor de uma casa, a dupla verifica outra matriz entre Hillsboro e Moulton em um nó de uma colina abaixo de uma lama, estrada de barro vermelho perto da igreja Old Time Gospel Fellowship.

Essas matrizes são problemáticas durante o verão porque geralmente são cobertas por kudzu, mas o inverno dourou o kudzu e interrompeu seu crescimento. Na primavera e no verão, a folhagem da vegetação significa verificações mais frequentes.

"O que antes era uma área com sol abundante pode ser completamente coberta de sombra em questão de alguns dias naquela época do ano, "Disse Carpenter." As baterias que usamos vão durar cerca de 10 dias no máximo, sem que a luz do sol atinja os painéis solares.

"Quando funcionando corretamente e recebendo seis horas de luz solar ideal por dia, o sistema de energia funcionará indefinidamente se não for perturbado. "

Enquanto nenhum animal está mastigando fiação nesta colina solitária do Alabama, as cúpulas que protegem os sensores dos elementos mais agressivos também fornecem áreas convenientes e um tanto secas para as formigas de fogo. Um sensor está imerso em uma cama de formigas de fogo, mas as pragas picantes abandonaram este monte por um desconhecido, presumivelmente mais quente, ver.

Baixar os dados dos sensores individuais significa encontrar Wi-Fi, mesmo no meio do aparentemente nada. Os sensores especialmente criados são projetados para registrar com precisão os sinais infra-sônicos e registrá-los em 1, 000 amostras por segundo. Uma referência de tempo precisa é fornecida pelo GPS.

Os dados brutos dos sensores nada mais são do que uma linha irregular, mas essa linha é rica em informações.

"Assim que os dados são transferidos para um computador, pode ser processado usando algoritmos personalizados que detectam quando e onde os tornados estão localizados, "Frazier disse." No futuro, caso a tecnologia seja viável, este processo pode ser totalmente automatizado para fornecer informações em tempo real. "

Cada bateria nesta colina precisa ser substituída, mas o dia esquentou; o trabalho vai rápido, e logo a dupla segue para o oeste em seu caminho de 160 milhas de volta a Oxford.

O que vem depois

O trabalho de detecção e rastreamento de tornados dos pesquisadores Ole Miss levou a artigos em publicações como The Journal of the Acoustical Society of America, e várias apresentações orais, incluindo no início deste ano na 100ª reunião da American Meteorological Society em Boston.

O trabalho também apareceu em veículos de notícias nacionais, como o The Washington Post. E os pesquisadores fizeram aparições no podcast WeatherBrains e no The Weather Channel para falar sobre o estudo.

Mais trabalho precisa ser feito, no entanto. Mais investigação. Mais dados. Mas os resultados iniciais são promissores.

"Demonstramos que a detecção e o rastreamento de tornados usando suas emissões de infra-som é viável, ", Disse Waxler." No momento, estamos investigando o mecanismo físico pelo qual o infra-som é emitido por um tornado, e estamos analisando dados de tempestades não-orgânicas para ver se há algum sinal de infra-som que possa produzir falsos positivos.

"Acredito que com o financiamento contínuo, esta pesquisa resultaria em sistemas de alerta operacional dentro de cerca de cinco anos. "

Enquanto isso, as dezenas de sensores instalados por pesquisadores da UM ficam sob cúpulas brancas. Nos campos da Louisiana ou nas encostas do Alabama, os arrays coletam silenciosamente dados que podem salvar vidas no futuro.