Quando un pennacchio nuvoloso di ghiaccio e vapore acqueo si alza sopra la sommità di un forte temporale, c'è una buona possibilità che un violento tornado, venti forti o chicchi di grandine più grandi delle palline da golf colpiranno presto la Terra sottostante.

Un nuovo studio condotto dalla Stanford University, pubblicato il 10 settembre in Scienza , rivela il meccanismo fisico di questi pennacchi, che si formano sopra la maggior parte dei tornado più dannosi del mondo.

Ricerche precedenti hanno dimostrato che sono facili da individuare nelle immagini satellitari, spesso 30 minuti o più prima che il maltempo raggiunga il suolo. "La domanda è, perché questo pennacchio è associato alle peggiori condizioni, e come esiste in primo luogo? Questo è il vuoto che stiamo iniziando a colmare, " ha detto lo scienziato atmosferico Morgan O'Neill, autore principale del nuovo studio.

La ricerca arriva poco più di una settimana dopo che i temporali e i tornado delle supercelle si sono formati tra i resti dell'uragano Ida mentre si riversavano nel nord-est degli Stati Uniti, aggravando la devastazione provocata in tutta la regione da piogge da record e inondazioni improvvise.

Capire come e perché i pennacchi prendono forma al di sopra di potenti temporali potrebbe aiutare i meteorologi a riconoscere simili pericoli imminenti ed emettere avvisi più accurati senza fare affidamento sui sistemi radar Doppler, che possono essere abbattuti dal vento e dalla grandine e avere punti ciechi anche nelle giornate buone. In molte parti del mondo, La copertura radar Doppler è inesistente.

"Se ci sarà un terribile uragano, possiamo vederlo dallo spazio. Non possiamo vedere i tornado perché sono nascosti sotto le cime dei temporali. Dobbiamo capire meglio le cime, " disse O'Neill, che è un assistente professore di scienze del sistema terrestre presso la Stanford's School of Earth, Scienze energetiche e ambientali (Stanford Earth).

Tempeste di supercelle e turbolenze esplosive

I temporali che generano la maggior parte dei tornado sono conosciuti come supercelle, una rara specie di tempesta con una corrente ascensionale rotante che può sfrecciare verso il cielo a velocità superiori a 150 miglia all'ora, con abbastanza potenza da perforare il solito coperchio della troposfera terrestre, lo strato più basso della nostra atmosfera.

Nei temporali più deboli, le correnti crescenti di aria umida tendono ad appiattirsi e diffondersi quando raggiungono questo coperchio, chiamata tropopausa, formando una nuvola a forma di incudine. L'intensa corrente ascensionale di un temporale di una supercella spinge la tropopausa verso l'alto nello strato successivo dell'atmosfera, creando ciò che gli scienziati chiamano un top overshooting. "È come una fontana che si spinge contro lo strato successivo della nostra atmosfera, " ha detto O'Neill.

Mentre i venti dell'alta atmosfera corrono sopra e intorno alla sporgente cima della tempesta, a volte sollevano flussi di vapore acqueo e ghiaccio, che sparano nella stratosfera per formare il pennacchio rivelatore, tecnicamente chiamato pennacchio di cirro sopra l'incudine, o AACP.

L'aria che sale dalla cima sorpassata torna presto verso la troposfera, come una palla che accelera verso il basso dopo essere salita in alto. Allo stesso tempo, l'aria scorre sopra la cupola nella stratosfera e poi corre lungo il lato riparato.

Utilizzando simulazioni al computer di temporali supercellulari idealizzati, O'Neill e colleghi hanno scoperto che questo eccita una tempesta di vento discendente alla tropopausa, dove la velocità del vento supera i 240 miglia orarie. "L'aria secca che scende dalla stratosfera e l'aria umida che sale dalla troposfera si uniscono in questo strettissimo, jet pazzesco. Il getto diventa instabile e il tutto si mescola ed esplode in turbolenza, " O'Neill ha detto. "Queste velocità in cima alla tempesta non sono mai state osservate o ipotizzate prima".

Salto idraulico

Gli scienziati hanno da tempo riconosciuto che il superamento delle cime delle tempeste di aria umida che sale nell'atmosfera superiore può agire come ostacoli solidi che bloccano o reindirizzano il flusso d'aria. Ed è stato proposto che le onde di aria umida che fluiscono su queste cime possano rompersi e portare l'acqua nella stratosfera. Ma nessuna ricerca fino ad oggi ha spiegato come tutti i pezzi si incastrano.

Il nuovo modello suggerisce che l'esplosione della turbolenza nell'atmosfera che accompagna le tempeste piumate si dispiega attraverso un fenomeno chiamato salto idraulico. Lo stesso meccanismo è in gioco quando i venti impetuosi si abbattono sulle montagne e generano turbolenze sul lato discendente, o quando l'acqua che scorre dolcemente lungo lo sfioratore di una diga esplode improvvisamente in schiuma quando si unisce all'acqua che si muove più lentamente sotto.

Leonardo DaVinci osservò il fenomeno dell'acqua che scorre già nel 1500, e gli antichi romani potrebbero aver cercato di limitare i salti idraulici nei progetti di acquedotti. Ma fino ad ora gli scienziati atmosferici hanno visto solo la dinamica indotta dalla topografia solida. La nuova modellazione suggerisce che un salto idraulico può essere innescato anche da ostacoli fluidi nell'atmosfera costituiti quasi interamente da aria e che cambiano forma ogni secondo, miglia sopra la superficie terrestre.

Le simulazioni suggeriscono che l'inizio del salto coincide con un'iniezione sorprendentemente rapida di vapore acqueo nella stratosfera, fino a 7000 chilogrammi al secondo. È da due a quattro volte superiore alle stime precedenti. Una volta raggiunto l'oltremondo, l'acqua può rimanere lì per giorni o settimane, potenzialmente influenzare la quantità e la qualità della luce solare che raggiunge la Terra attraverso la distruzione dell'ozono nella stratosfera e il riscaldamento della superficie del pianeta. "Nelle nostre simulazioni che mostrano pennacchi, l'acqua arriva in profondità nella stratosfera, dove potrebbe avere più di un impatto climatico a lungo termine, " ha detto il co-autore Leigh Orf, uno scienziato atmosferico presso l'Università del Wisconsin-Madison.

Secondo O'Neill, i velivoli di ricerca della NASA ad alta quota hanno acquisito solo di recente la capacità di osservare i venti tridimensionali nella parte superiore dei temporali, e non hanno ancora osservato la produzione di AACP a distanza ravvicinata. "Ora abbiamo la tecnologia per verificare i risultati dei nostri modelli per vedere se sono realistici, " O'Neill ha detto. "Questo è davvero un punto debole nella scienza".