Onde gravitazionali atmosferiche

Utilizzando palloni atmosferici per la trasmissione di dati internet, sono state scoperte delle onde gravitazionali atmosferiche che svolgono un ruolo importante nella previsione dei fenomeni meteorologici

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Alcuni palloni di grandi dimensioni, lanciati nella stratosfera per trasmettere servizi internet alla Terra, hanno permesso di misurare piccole increspature nella nostra atmosfera superiore, mettendo in luce dei modelli che potrebbero migliorare le previsioni meteorologiche e i modelli climatici.

Queste increspature, note come onde gravitazionali, si formano quando bolle di aria vengono portate verso l’alto e, quindi, spinte verso il basso per effetto della gravità. Si immagini una quantità di aria che si precipita sulle montagne, ritorna a valle, ondeggia tra la terra e il mare, rimbalza su tempeste, oscillando tra strati di atmosfera stabile, in una competizione continua tra galleggiabilità e gravità. Una singola onda può viaggiare per migliaia di chilometri, trasportando lungo il cammino un suo momento e una sua quantità di calore.

Sebbene siano meno conosciute delle onde gravitazionali – l’ondulazione nel tessuto spazio-tempo – le onde di gravità atmosferica sono onnipresenti e potenti. Queste onde sono la causa di alcune turbolenze cui vanno incontro gli aeroplani che volano nei cieli puliti, e influenzano particolarmente le tempeste che si verificano sul suolo terrestre.

Presso la Stanford University è stata condotta una ricerca, pubblicata nel Journal of Geophysical Research: Atmosspheres, basata sui dati dei palloni ad alta pressione della compagnia Loon LLC, progettati per fornire degli accessi a internet in quelle aree che non sono servite da celle o dalla fibra ottica. Scorporata, nel 2018, dalla società madre di Google, Alphabet, Loon ha inviato migliaia di palloni, carichi di sensori, a viaggiare, per dodici mesi, sopra la stratosfera, – molto al di sopra dell’altezza degli aerei commerciali e della maggior parte delle nuvole – per non meno di 100 giorni di seguito.

Questi palloni non sono stati inviati per raccogliere dati di natura scientifica; quindi si è trattato di un’occasione fortuita, oltre che fortunata, che essi siano riusciti a misurare grandezze come la posizione, la temperatura e la pressione. Tra il 2014 e il 2018, questi palloni hanno raccolto dei dati su 6.811 periodi diversi, di 48 ore ciascuno; sulla base di questi dati i ricercatori hanno quindi calcolato il moto delle onde gravitazionali. Approntare una campagna scientifica specifica per questo tipo di ricerca, avrebbe comportato dei costi altissimi. Utilizzando i dati del Loon, la loro analisi è più complicata, data la natura incidentale della loro acquisizione; in compenso, la copertura è più globale.



Le onde gravitazionali rappresentano una componente rilevante della dinamica atmosferica, in quanto aiutano a guidare la circolazione complessiva dell’atmosfera; ma alcune onde gravitazionali sono troppo piccole e troppo frequenti per essere osservate dai satelliti. I precedenti studi, che hanno utilizzato i palloni atmosferici per tracciare le onde gravitazionali ad alta frequenza, hanno raccolto dei dati da non più di poche dozzine di voli, coprendo delle regioni meno ampie e su archi temporali più brevi.

I dati acquisiti dal Loon sono risultati molto efficaci per il calcolo delle onde gravitazionali ad alta frequenza, che possono crearsi e distruggersi centinaia di volte in un giorno, coprendo delle distanze che vanno da poche centinaia di metri a centinaia di chilometri. Queste onde gravitazionali sono molto piccole e cambiano continuamente sulla scala dei tempi dei minuti. Viste in una prospettiva integrata, esse influenzano, per esempio, il bilancio del momento della corrente a getto, ovvero di quell’oggetto su scala planetaria, dotato di una grande massa, che interagisce con le tempeste e gioca un ruolo importante nella definizione del loro corso.

Le onde gravitazionali influenzano anche il vortice polare, un vortice di aria gelida che generalmente aleggia sul Polo Nord e può diffondere un freddo intenso in alcune parti dell’Europa e degli Stati Uniti per diversi mesi. Le onde gravitazionali interagiscono anche con l’oscillazione quasi-biennale, nella quale, quasi ogni 14 mesi, il flusso dei venti che spira sopra l’equatore inverte la propria direzione – con rilevanti impatti sulla riduzione dell’ozono e sulle condizioni meteorologiche superficiali ben oltre i tropici.

Pertanto, conoscere bene le onde gravitazionali è utile per migliorare le previsioni meteorologiche, soprattutto perché il riscaldamento globale continua a sconvolgere i modelli di previsione storici. Avere le opportune onde gravitazionali aiuterebbe a limitare le risposte della circolazione dell’aria ai cambiamenti climatici, quali per esempio la quantità di pioggia prevista in una determinata località e il numero di tempeste – cioè aspetti dinamici come il vento, la pioggia e la neve.

Gli attuali modelli climatici stimano gli effetti delle onde gravitazionali ad alta frequenza sulla circolazione, in una sorta di scatola nera, con pochi vincoli derivati dalle osservazioni del mondo reale, o con l’applicazione delle limitate conoscenze acquisite relative ai processi fisici in gioco. Finora, non è stato chiarito completamente il comportamento assunto da queste onde nelle varie località o nel corso delle stagioni.

Il gruppo che ha condotto la ricerca si è focalizzato sull’energia associata alle onde gravitazionali ad alta frequenza, su diverse scale temporali, e su come questa energia cambia in relazione alle stagioni e alle latitudini. È stato scoperto che queste onde sono più ampie e acquisiscono maggiore energia cinetica in prossimità dei tropici e durante l’estate, mentre onde più piccole si muovono con minore energia e sono più frequenti in prossimità dei poli e durante l’inverno. Inoltre, è stato scoperto un cambiamento delle onde gravitazionali in sincronia con le fasi della oscillazione quasi-biennale. Il fatto che le onde gravitazionali abbiano comportamenti diversi a seconda del periodo dell’anno e della zona del globo terrestre, rappresenta il motivo principale della complessità insita nel loro funzionamento.

Il passo successivo della ricerca sarà quello di individuare quali sorgenti di onde gravitazionali siano responsabili di queste differenze, ed estrapolare le ampiezze di un’onda gravitazionale ad alte frequenze, a partire da osservazioni relativamente poco frequenti. Comprendere come le onde gravitazionali influenzano la circolazione nell’atmosfera, e capire l’interazione tra queste onde e il flusso medio rappresenta la prossima frontiera nella comprensione della dinamica atmosferica.

Fonte: phys.org

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