A dinâmica da atmosfera de nosso planeta é tão complexa que mesmo os algoritmos meteorológicos modernos nem sempre conseguem descobrir e dar previsões corretas.
Mas isso não assustou o cientista francês Pierre-Simon, o Marquês de Laplace , que no século 18 foi capaz de prever uma característica simples, mas importante, do comportamento da atmosfera terrestre. Embora Laplace nunca tenha visto um mapa meteorológico global em sua vida, ele desenvolveu uma teoria que previa que ondas com quedas de pressão estavam constantemente atingindo nosso planeta.
“Até o final do século 20, modelar a atmosfera era feito a lápis no papel e era muito rudimentar, mas Laplace foi bem-sucedido”, diz David Randall), um cientista da ciência atmosférica da Colorado State University. "É incrível."
As idéias de Laplace desencadearam uma busca de um século por essas ondas. Mas as oscilações revelaram-se não apenas enormes, mas também muito fracas. Mesmo os melhores físicos não conseguiram detectá-los.
E agora essa busca chegou ao fim. Em um novo conjunto de dados meteorológicos, os cientistas modernos descobriram o que milhões de barômetros perderam: uma “sinfonia” de ondas que envolve toda a Terra em uma colcha de retalhos de zonas de forte e fraca pressão.
Aqui está uma excelente confirmação da velha teoria. Mas vamos conversar sobre tudo em ordem.
Cordas do planeta
Laplace com o uniforme do Chanceler do Senado. Fragmento de um retrato de Jean-Baptiste Guerin, 1838
Tudo começou quando Laplace se interessou pela influência da gravidade da lua na atmosfera terrestre. Ele decidiu analisar quais tipos de ondas são geradas como resultado dessa interação.
Laplace imaginou a atmosfera como uma fina camada de líquido em uma esfera lisa. Ele chegou à conclusão de que a gravidade deveria pressionar as ondas contra o solo, onde elas se moveriam mais ou menos em um plano horizontal - como ondas bidimensionais (de superfície).
"Ele foi o primeiro a criar esta ilustração - Kevin Hamilton explica ( por Kevin Hamilton ), professor emérito da Universidade do Havaí em Manoa, co-autor do novo estudo. "Foi um palpite incrível."
Laplace não deu a essas ondas um nome especial e não desenvolveu seu movimento com mais detalhes, mas os cientistas modernos no campo das ciências atmosféricas as chamam de "vibrações normais" (ou modos, modos normais).
O mod mais simples aumenta a pressão em um hemisfério e diminui no outro. Mods mais energéticos criam um padrão quadriculado de pequenas áreas de baixa e alta pressão.
Eles se movem ao redor do planeta - geralmente de oeste para leste ou de leste para oeste - mais rápido do que a maioria dos aviões de passageiros.
(T. Sakazaki e K. Hamilton, doi: 10.1175 / JAS-D-20–0053.1) - As áreas de alta pressão são vermelhas, as áreas de baixa pressão são azuis. Os quatro gráficos ilustram quatro modos de onda diferentes.
Embora Laplace tenha começado seu raciocínio da Lua, na verdade, essas ondas de pressão aparecem devido a tempestades, trovoadas e tempestades da própria Terra.
O vento sopra sobre cadeias de montanhas, a turbulência aumenta e parte dessa energia é gasta na alimentação de vibrações normais. “É como um gatinho tocando as teclas do piano”, explica Randall. “Ao pressioná-lo acidentalmente, você pode dizer quais cordas este piano tem.”
Assim, Laplace propôs a ideia da existência de tais ondas, os matemáticos deram aos físicos todas as ferramentas necessárias para calcular as “cordas” da atmosfera. Mas alguém já ouviu essas “notas”?
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Quase ao mesmo tempo em que Laplace estava pensando em seu modelo, pesquisadores e naturalistas - incluindo o geógrafo alemão Alexander von Humboldt - notaram que a pressão atmosférica aumenta e diminui a cada 12 horas nos trópicos.
Essas gotas coincidiram com as gotas de calor do sol, mas os teóricos não conseguiram explicar por que o efeito é tão forte.
Os cientistas tentaram desvendar esse mistério por quase um século, até que em 1882 o físico britânico Thomson William (Lord Kelvin) percebeu que esse aquecimento estava combinado com uma das “vibrações livres” de Laplace.
Retrato de William Thomson, Baron Kelvin, Bibliotecas Smithsonian - Lord Kelvin
Lord Kelvin sugeriu que foi o Sol que deu ímpeto às ondas, porque sua frequência coincidia com a frequência de uma das oscilações de Laplace. Sua suposição acabou se revelando errada - na década de 1960, os cientistas determinaram que a influência do sol amplificava outro fenômeno mais complexo - mas a ideia de Lord Kelvin levou os cientistas a uma análise mais completa do componente matemático da teoria de Laplace.
No final, eles descobriram que frequência essas vibrações normais deveriam ter.
Um achado inesperado
As "notas" mais baixas que correspondem às previsões foram encontradas pelos cientistas apenas na década de 1980. Eles apareceram pela primeira vez no trabalho do meteorologista japonês Taroh Matsuno ( DOI: 10.2151 / jmsj1965.58.4_281 ), e um pouco mais tarde no trabalho de Kevin Hamilton e Rolando Garcia ( DOI: 10.1029 / JD091iD11p11867 ).
O trabalho de Hamilton e Garcia nasceu de uma descoberta casual - um conjunto de dados perfeito de uma estação meteorológica na Indonésia colonial que registrou a pressão atmosférica a cada hora durante 79 anos, perdendo apenas algumas leituras.
O diário de medição revelou-se não apenas longo, mas também incrivelmente preciso - os pesquisadores mediram o comprimento da coluna de mercúrio por meio de um microscópio com uma precisão de dois centésimos de milímetro.
Comparando essas medições com outros conjuntos de dados, Hamilton e Garcia foram capazes de detectar traços de um dos modos normais mais longos.
Novo banco de dados
Ondas mais curtas, no entanto, não cederam até o ano passado, quando o Centro Europeu de Previsões do Tempo de Médio Prazo publicou o banco de dados ERA5. O banco de dados contém dados de milhares de estações terrestres, balões meteorológicos e satélites. As “lacunas” foram preenchidas com modelos de computador poderosos.
Como resultado, este banco de dados reflete informações que poderiam ser coletadas por uma rede global de estações meteorológicas localizadas a cada 10 quilômetros que fariam leituras a cada hora de 1979 a 2016.
Lançamento do balão meteorológico. - ABC Rural: Caddy Brain
When Takatoshi Sakazaki), um professor assistente da Universidade Japonesa de Kyoto, se comprometeu a estudar a base, ele não estava olhando para ela em todas as ondas Laplace, mas as quedas de temperatura. As quedas de pressão eram apenas ruído para ele, que precisava ser eliminado.
Mas logo se deu conta de que essas poderiam ser as mesmas flutuações normais. Quando Sakazaki combinou os dados com as previsões teóricas, eles combinaram quase perfeitamente.
Não muito certo sobre a importância da descoberta, ele cancelou a assinatura de Hamilton, que era seu orientador científico.
Antes de publicar seu trabalho na década de 1980, Hamilton passou várias décadas pesquisando dados de estações meteorológicas para as "notas" atmosféricas mais baixas. E então uma carta caiu em sua caixa de correio com evidências da existência de uma "sinfonia" completa.
Sakazaki e Hamilton trabalharam juntos para analisar a estrutura tridimensional dessas ondas e publicaram os resultados de suas pesquisas na edição de julho do Journal of the Atmospheric Sciences. ( DOI: 10.1175 / JAS-D-20-0053.1 )
O trabalho descreve o comportamento de dezenas de ondas com a maior precisão possível, além das encontradas na década de 1980. Descobriu-se que alguns dos mais energéticos mudam a pressão de alta para baixa 12 vezes em uma passagem sobre o planeta.
Todos os resultados estão de acordo com as previsões derivadas das equações de Laplace.
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