Balões gigantes lançados na estratosfera para transmitir serviços de Internet para a Terra ajudaram os cientistas a medir pequenas ondulações em nossa atmosfera superior, descobrindo padrões que poderiam melhorar as previsões meteorológicas e os modelos climáticos.

As ondulações, conhecidas como ondas de gravidade ou ondas de flutuabilidade, surgem quando bolhas de ar são forçadas para cima e puxadas para baixo pela gravidade. Imagine uma parcela de ar que corre sobre as montanhas, mergulhos em vales frescos, navega por terra e mar e ricocheteia nas tempestades crescentes, balançando para cima e para baixo entre camadas de atmosfera estável em um grande cabo de guerra entre a flutuabilidade e a gravidade. Uma única onda pode viajar por milhares de quilômetros, carregando impulso e calor ao longo do caminho.

Embora menos conhecidas do que as ondas gravitacionais - ondulações na estrutura do espaço-tempo - as ondas gravitacionais atmosféricas são onipresentes e poderosas, disse o cientista atmosférico da Universidade de Stanford Aditi Sheshadri, autor sênior de um novo estudo que detalha as mudanças nas ondas de gravidade de alta frequência ao longo das estações e latitudes. Eles causam parte da turbulência sentida em aviões voando em céu claro e têm uma forte influência em como as tempestades ocorrem no nível do solo.

Balões voando alto

Publicado em 30 de agosto no Journal of Geophysical Research:Atmospheres , a nova pesquisa baseia-se em dados de balões de superpressão da empresa Loon LLC, que projetou os balões para fornecer acesso à Internet em áreas mal servidas por torres de celular ou cabos de fibra óptica. Separado da Alphabet, empresa controladora do Google, em 2018, Loon enviou milhares de balões carregados de sensores para navegar a 12 milhas na estratosfera - bem acima da altitude dos aviões comerciais e da maioria das nuvens - por 100 dias ou mais em um trecho.

"Foi uma sorte muito, porque eles não estavam coletando dados para nenhuma missão científica. Mas, aliás, eles estavam medindo posição, temperatura e pressão, "disse Sheshadri, que é professor assistente de ciência do sistema terrestre na Escola da Terra de Stanford, Energia e Ciências Ambientais (Stanford Earth).

Os pesquisadores calcularam os movimentos das ondas gravitacionais a partir de dados coletados por balões em 6, 811 períodos separados de 48 horas de 2014 a 2018. "Montar uma campanha científica equivalente seria terrivelmente caro. Com os dados do Loon, a análise é mais complicada porque a coleta de dados foi acidental, mas tem uma cobertura quase global, "Sheshadri disse.

Ondas pequenas, impacto planetário

As ondas gravitacionais são uma parte importante da dinâmica atmosférica. "Eles ajudam a impulsionar a circulação geral da atmosfera, mas algumas ondas gravitacionais são muito pequenas e frequentes para serem observadas com satélites, "disse o principal autor do estudo, Erik Lindgren, que trabalhou na pesquisa como um pós-doutorado no laboratório de Sheshadri. "Estas são as ondas gravitacionais nas quais nos concentramos neste estudo." Estudos anteriores usando balões atmosféricos para rastrear ondas de gravidade de alta frequência geralmente incorporaram dados de não mais do que algumas dezenas de voos de balão, cobrindo áreas menores e menos temporadas.

Os dados do Loon provaram ser particularmente valiosos para o cálculo de ondas de gravidade de alta frequência, que pode subir e descer centenas de vezes por dia, em distâncias que variam de algumas centenas de metros a centenas de quilômetros. "Eles são minúsculos e mudam em escalas de tempo de minutos. Mas em um sentido integrado, eles afetam, por exemplo, o orçamento de impulso da corrente de jato, que é essa coisa em grande escala planetária que interage com as tempestades e desempenha um papel importante na definição de seu curso, "Sheshadri disse.

As ondas gravitacionais também influenciam o vórtice polar, um redemoinho de ar frio que geralmente paira sobre o Pólo Norte e pode espalhar o frio extremo em partes da Europa e nos Estados Unidos por meses a fio. E eles interagem com a oscilação quase bienal, no qual, aproximadamente a cada 14 meses, o cinturão de ventos soprando alto sobre o equador inverte a direção - com grandes impactos na redução da camada de ozônio e no clima da superfície muito além dos trópicos.

Como resultado, compreender as ondas gravitacionais é a chave para melhorar as previsões meteorológicas em escala regional, especialmente porque o aquecimento global continua a perturbar padrões históricos. "Acertar as ondas gravitacionais ajudaria a restringir as respostas da circulação às mudanças climáticas, como a quantidade de chuva que vai chover em um determinado local, o número de tempestades - coisas dinâmicas, como vento, chuva e neve, "Sheshadri disse.

Construindo melhores modelos

Os modelos climáticos atuais estimam os efeitos das ondas de gravidade de alta frequência na circulação em uma espécie de caixa preta, com poucas restrições de observações do mundo real ou aplicação do conhecimento existente limitado dos processos físicos em jogo. "Até agora, não está totalmente claro como essas ondas se comportam em diferentes regiões ou ao longo das estações em frequências muito altas ou escalas pequenas, "Lindgren disse.

Sheshadri e colegas se concentraram na energia associada a ondas de gravidade de alta frequência em diferentes escalas de tempo, e como essa energia varia entre as estações e latitudes. Eles descobriram que essas ondas são maiores e acumulam mais energia cinética nos trópicos e durante o verão; ondas menores movendo-se com menos energia são mais comuns perto dos pólos e durante o inverno. Eles também encontraram ondas gravitacionais mudando em sincronia com as fases da oscilação quase bienal. "Descobrimos mudanças distintas na atividade das ondas gravitacionais em diferentes épocas do ano e em diferentes partes do globo, "Lindgren disse." O porquê exatamente não está claro. "

Em pesquisas futuras, Sheshadri visa identificar quais fontes de ondas gravitacionais são responsáveis ​​por essas diferenças, e extrapolar as amplitudes das ondas gravitacionais em frequências muito altas a partir de observações relativamente infrequentes. Ela disse, "Compreender como as ondas gravitacionais impulsionam a circulação na atmosfera, a interação entre essas ondas e o fluxo médio - é realmente a próxima fronteira na compreensão da dinâmica atmosférica. "