Con la stagione dei tornado che si avvicina rapidamente o è già in corso negli stati vulnerabili degli Stati Uniti, nuove simulazioni al supercomputer stanno dando ai meteorologi una visione senza precedenti della struttura di temporali e tornado mostruosi. Una di queste simulazioni recenti ricrea un temporale supercellulare che produce tornado che ha lasciato un percorso di distruzione sulle Grandi Pianure Centrali nel 2011.

La persona dietro quella simulazione è Leigh Orf, uno scienziato del Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS) dell'Università del Wisconsin-Madison. Dirige un gruppo di ricercatori che utilizzano modelli informatici per svelare le parti mobili all'interno dei tornado e le supercelle che li producono. Il team ha sviluppato competenze nella creazione di visualizzazioni approfondite delle supercelle e nel discernimento di come si formano e infine generano tornado.

Il lavoro è particolarmente rilevante perché gli Stati Uniti guidano il conteggio dei tornado globali con più di 1, 200 touchdown all'anno, secondo la National Oceanic and Atmospheric Administration.

Nel maggio 2011, diversi tornado hanno atterrato sul paesaggio dell'Oklahoma in breve, assemblea di quattro giorni di tempeste. Uno dopo l'altro, le supercelle hanno generato nuvole a imbuto che hanno causato significativi danni alle proprietà e perdite di vite umane. Il 24 maggio un tornado in particolare - "El Reno" - registrato come EF-5, la categoria tornado più forte sulla scala Enhanced Fujita. Rimase a terra per quasi due ore e lasciò un percorso di distruzione lungo 63 miglia.

La più recente simulazione di Orf ricrea il tornado di El Reno, rivelando in alta risoluzione i numerosi "mini-tornado" che si formano all'inizio del tornado principale. Man mano che il cloud a imbuto si sviluppa, iniziano a fondersi, aggiungendo forza al tornado e intensificando la velocità del vento. Infine, si formano nuove strutture, incluso ciò che Orf chiama corrente di vorticità streamwise (SVC).

"L'SVC è costituito da aria raffreddata dalla pioggia che viene aspirata nella corrente ascensionale che aziona l'intero sistema, " dice Orf. "Si ritiene che questa sia una parte cruciale nel mantenere la tempesta insolitamente forte, ma interessante, l'SVC non entra mai in contatto con il tornado. Piuttosto, scorre su e intorno ad esso."

Utilizzando dati osservativi del mondo reale, il team di ricerca è stato in grado di ricreare le condizioni meteorologiche presenti al momento della tempesta e assistere ai passaggi che hanno portato alla creazione del tornado. I dati archiviati, tratto da una previsione del modello operativo a breve termine, era sotto forma di un suono atmosferico, un profilo verticale di temperatura, pressione dell'aria, velocità del vento e umidità. Se combinati nel modo giusto, questi parametri possono creare le condizioni adatte alla formazione di tornado, nota come tornadogenesi.

Secondo Orf, produrre un tornado richiede un paio di parti "non negoziabili", compresa l'abbondante umidità, instabilità e wind shear nell'atmosfera, e un grilletto che muove l'aria verso l'alto, come una differenza di temperatura o umidità. Però, la semplice esistenza di queste parti in combinazione non significa che un tornado sia inevitabile.

"In natura, non è raro che le tempeste abbiano quelli che intendiamo essere tutti gli ingredienti giusti per la tornadogenesi e poi non succede nulla, " dice Orf. "I cacciatori di tempeste che seguono i tornado hanno familiarità con l'imprevedibilità della natura, e i nostri modelli hanno dimostrato di comportarsi in modo simile".

Orf spiega che a differenza di un tipico programma per computer, dove il codice è scritto per fornire risultati coerenti, la modellazione su questo livello di complessità ha una variabilità intrinseca, e in qualche modo lo trova incoraggiante poiché l'atmosfera reale mostra questa variabilità, pure.

Il successo della modellazione può essere limitato dalla qualità dei dati di input e dalla potenza di elaborazione dei computer. Per ottenere maggiori livelli di precisione nei modelli, il recupero dei dati sulle condizioni atmosferiche immediatamente prima della formazione del tornado è l'ideale, ma rimane un compito difficile e potenzialmente pericoloso. Con la complessità di queste tempeste, ci possono essere fattori sottili (e attualmente sconosciuti) nell'atmosfera che influenzano se una supercella forma o meno un tornado.

La risoluzione digitale di una simulazione di tornado fino a un punto in cui i dettagli sono sufficientemente precisi da fornire informazioni preziose richiede un'immensa potenza di elaborazione. Fortunatamente, Orf aveva ottenuto l'accesso a un supercomputer ad alte prestazioni, progettato specificamente per gestire esigenze di elaborazione complesse:il supercomputer Blue Waters presso il National Center for Supercomputing Applications presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign

In totale, la loro simulazione EF-5 ha richiesto più di tre giorni di esecuzione. In contrasto, ci vorrebbero decenni per un computer desktop convenzionale per completare questo tipo di elaborazione.

Guardando avanti, Orf sta lavorando alla fase successiva di questa ricerca e continua a condividere i risultati del gruppo con scienziati e meteorologi in tutto il paese. A gennaio 2017, la ricerca del gruppo è stata descritta sulla copertina del Bollettino dell'American Meteorological Society.

"Abbiamo completato la simulazione EF-5, ma non abbiamo intenzione di fermarci qui, " afferma Orf. "Continueremo a perfezionare il modello e ad analizzare i risultati per comprendere meglio questi sistemi pericolosi e potenti".