Il freddo che sferza un campo dell'Alabama in questa mattina d'inverno schiaffeggia via il calore, costringendo lentamente le dita delle mani e dei piedi a intorpidirsi.

Sotto un noioso, cielo coperto, I ricercatori dell'Università del Mississippi attraversano un pascolo umido appena a nord di Huntsville, sfidando il congelamento e controllando una serie di 12 sensori che gli scienziati dell'UM National Center for Physical Acoustics stanno utilizzando nella loro ricerca sul rilevamento e il monitoraggio dei tornado.

Ciascun sensore è costituito da una batteria marina da 12 volt, pannello solare, parabrezza bombato, cablaggio necessario e un dispositivo progettato per la messaggistica unificata che registra i segnali infrasonici, o infrasuoni:segnali acustici a frequenze inferiori a quelle che gli umani possono sentire. È noto da tempo che i tornado generano questi suoni a bassa frequenza, anche se l'esatto meccanismo di questa produzione non è compreso.

Ma i ricercatori di UM sperano che "ascoltando" i tornado attraverso gli infrasuoni, potrebbero sviluppare una tecnologia per rivoluzionare il rilevamento e il monitoraggio dei tornado, e migliorare notevolmente i metodi di avviso di tornado.

"Il radar non rileva i tornado, " ha detto Roger Waxler, uno scienziato principale presso il Centro Nazionale di Acustica Fisica, o NCPA, e professore associato di ricerca di fisica e astronomia presso la UM. "Le lunghezze d'onda sono troppo lunghe, e sono rivolti verso l'alto. I tornado sono attualmente rilevati a vista. I servizi meteo utilizzano spotter (persone). Il radar mostra la rotazione su larga scala nelle tempeste che possono generare tornado, ma non sempre lo fanno.

"Questi particolari array vengono utilizzati specificamente per la ricerca sul rilevamento e il monitoraggio dei tornado. La geometria degli array è sintonizzata sui segnali emessi dai tornado".

Nonostante l'evoluzione della tecnologia meteorologica, rilevare e monitorare i tornado è un compito quasi impossibile. Ma mentre i tornado piombano imprevedibilmente dalle nuvole sempre più scure, le violente tempeste lasciano un segno distinto e danni duraturi mentre attraversano un paesaggio.

a livello nazionale, più di 24, 400 tornado sono stati segnalati dal 2000, secondo i Centri nazionali per l'informazione ambientale. Quei tornado hanno ucciso quasi 1, 500 persone e ha provocato danni per miliardi di dollari.

La domenica di Pasqua (12 aprile) e nelle prime ore del mattino di lunedì, una serie di tornado feroci ha colpito ancora una volta parti del paese, uccidendo circa 20 persone nel sud, di cui almeno 11 nel Mississippi, e distruggendo innumerevoli case ed edifici.

Il Mississippi è stato welted da più di 2, 700 tornado dal 1 gennaio 1950, secondo il database degli eventi di tempesta, che è gestito dalla National Oceanic and Atmospheric Administration, o NOAA. Questi tornado, una media di quasi 39 all'anno, hanno provocato circa 500 vittime, più di 6, 750 feriti e circa 2,8 miliardi di dollari di danni alle proprietà.

"La ricerca sugli infrasuoni tornado in corso presso l'NCPA ha il potenziale per un impatto significativo nella nostra regione e in tutta la nazione, "ha detto Josh Gladden, Vice Cancelliere della messaggistica unificata per la ricerca e i programmi sponsorizzati. "Più importante, ha il potenziale per aumentare e migliorare i sistemi di allerta precoce nelle nostre comunità, che potrebbe salvare vite.

"Un ulteriore impatto significativo, però, è il potenziale per ottenere molti più dati di monitoraggio per i tornado rispetto a quelli che gli scienziati hanno attualmente. Ciò dovrebbe portare a una migliore comprensione di quali condizioni innescano specificamente i tornado e quali percorsi seguono".

Infrasuoni a terra

Il gruppo infrasuoni dell'NCPA, guidato da Waxler, ha iniziato a esaminare l'uso degli infrasuoni, che è tipicamente generato dai tornado, uragani, interazioni ed esplosioni atmosfera-oceano, due decenni fa come mezzo per rilevare test clandestini di armi nucleari.

Da allora, il lavoro si è espanso in altri regni, compreso il monitoraggio dell'intensità degli uragani lungo la costa atlantica, forense di eventi esplosivi, sondando i venti nell'alta atmosfera e la ricerca sui tornado, che è iniziato nel 2011 con gli array distribuiti in Oklahoma.

L'attuale ricerca sul rilevamento e il monitoraggio dei tornado, intitolato "Rilevazione a infrarossi di tornado, " è iniziato nel 2017 ed è finanziato da NOAA attraverso il premio n. NA17OAR4590168 e NA18OAR4590305.

Ad unirsi a Waxler nel progetto c'è Garth Frazier, uno scienziato ricercatore senior presso NCPA e professore associato di ricerca UM di ingegneria elettrica, e Carrick Talmadge, anche un ricercatore senior presso NCPA e professore associato di ricerca di scienze e disturbi della comunicazione.

"Negli ultimi due o tre anni, siamo stati in grado di dimostrare costantemente la capacità di rilevare e tracciare con precisione i tornado che si sono verificati nel nord dell'Alabama con array di sensori che sono lontani come (62 miglia), " ha detto Frazier.

"Stiamo ancora cercando di raccogliere dati sufficienti per aumentare la comprensione di ciò che provoca la generazione del suono e di come garantire che ciò che stiamo ascoltando sia causato da un tornado e non solo da un fenomeno legato ai temporali. Tuttavia, siamo fiduciosi che il suono che abbiamo rilevato e tracciato non sia un tuono".

Il trio è supportato in questa ricerca da diversi membri dello staff di Ole Miss, poiché il lavoro di esplorazione di come rilevare e tracciare i tornado è molto più che posizionare un array in un campo e aspettare di raccogliere dati. Il duro lavoro è coinvolto, insieme a un sacco di guida.

Ecco perché in un gelido venerdì di febbraio, Hank Buchanan e Brian Carpenter, due ingegneri di ricerca e sviluppo presso NCPA, sono impacchettati contro un vento tagliente mentre attraversano un pascolo presso la Winifred Thomas Agricultural Research Station dell'Alabama A&M University.

I 12 sensori di questo array, piantato accanto a un ronzio, autostrada trafficata su una fetta dei 972 acri della stazione a Hazel Green, sono solo una serie di sette che sono state schierate in questa stagione in una linea che taglia approssimativamente dal nord della Louisiana al nord dell'Alabama.

In genere, da otto a 10 array vengono schierati ogni stagione, con località che a volte si estendono nell'angolo nord-ovest della Georgia o sono più vicine a casa, come alla UM Field Station, a nord-est del campus di Ole Miss nella contea di Lafayette. Ogni array di solito è composto da circa otto sensori.

La scelta di una posizione esatta dell'array è difficile, disse Buchanan. Le posizioni indesiderabili includono aree che potrebbero allagarsi:l'acqua più l'elettronica equivale a sensori morti. Le aree abbastanza aperte forniscono la luce solare necessaria per alimentare i sensori, ma a volte creature curiose, come i topi di campagna, masticare il cablaggio. Il furto di attrezzature è piuttosto raro, e di solito è solo una batteria.

A volte una posizione dell'array riguarda semplicemente il punto in cui i ricercatori possono ottenere il permesso di installarlo, che può essere un ostacolo quando si tratta di terreni privati. Gli array sono discreti ma necessitano di manutenzione, quindi ciò significa un buon accesso e talvolta lo spostamento di array da posizioni di caccia privilegiate.

"Di anno in anno, possiamo utilizzare gli stessi siti se il proprietario terriero è disposto e non ci sono problemi con un particolare sito, " Buchanan ha detto. "L'idea generale è quella di posizionare gli array in modo da massimizzare le nostre possibilità che almeno un array sia abbastanza vicino da catturare i dati acustici di un tornado se dovesse verificarsi da qualche parte nella regione.

"È anche vantaggioso avere più di un array per ottenere dati sullo stesso evento. Questo standard, insieme alla tendenza generale delle tempeste a spostarsi in direzione ovest-est nella nostra regione, ci ha lasciato con una linea che si estende da ovest a est attraverso il nord dell'Alabama come nostra area preferita per dispiegare gli array".

Raccolta dei dati

I dati dagli array vengono raccolti ogni sei-otto settimane circa, che prevede anche un tempo per le riparazioni necessarie. Generalmente, ciò significa che Buchanan e un altro membro dello staff o ricercatore NCPA guidano attraverso i campi e le foreste di latifoglie della valle del fiume Tennessee. In questo primo venerdì, Il carpentiere accompagna Buchanan.

La coppia parcheggia la Ford F-250 del centro acustico su una strada sterrata fuori dalla US 431 e si mette al lavoro presso la stazione di ricerca agricola. Sulla loro lista di controllo c'è il download di dati da due recenti eventi tornadici nell'area, e i 12 sensori devono essere controllati.

Da uno dei primi alloggiamenti per batterie, Carpenter scuote un topo che si era nascosto nella scatola per difendersi dal freddo. Alcuni dei sensori hanno batterie scariche, così i guanti si tolgono e l'intricato lavoro di scollegare e ricollegare i fili è completato prima che le dita si irrigidiscano per l'aria gelida.

Dopo un'ora e mezza negli elementi, il lavoro è completato. Viene consumato un pranzo messicano veloce:Buchanan e Carpenter credono che uno dei vantaggi di questo lavoro e dei lunghi viaggi in macchina sia mangiare in diversi ristoranti durante i loro viaggi.

Circa 60 miglia indietro verso il Mississippi e il calore di casa, la coppia controlla un altro schieramento tra Hillsboro e Moulton su un nodo di una collinetta lungo un fangoso, strada di argilla rossa vicino alla chiesa Old Time Gospel Fellowship.

Questi array sono problematici durante l'estate perché di solito sono ricoperti di kudzu, ma l'inverno ha rosolato il kudzu e ne ha fermato la crescita. In primavera e in estate, la sfogliatura della vegetazione comporta controlli più frequenti.

"Quella che una volta era una zona con abbondante sole può essere completamente coperta dall'ombra nel giro di pochi giorni in quel periodo dell'anno, " Ha detto Carpenter. "Le batterie che usiamo dureranno circa 10 giorni al massimo senza che la luce solare raggiunga i pannelli solari.

"Quando funziona correttamente e riceve sei ore ideali di buona luce solare al giorno, il sistema di alimentazione funzionerà indefinitamente se imperturbato."

Mentre nessun animale sta masticando cavi su questa solitaria collina dell'Alabama, le cupole che proteggono i sensori dagli elementi più aggressivi forniscono anche aree comode e un po' asciutte per le formiche del fuoco. Un sensore è immerso in un letto di formiche di fuoco, ma i parassiti pungenti hanno abbandonato questo tumulo per uno sconosciuto, presumibilmente più caldo, individuare.

Scaricare i dati dai singoli sensori significa trovare il Wi-Fi, anche in mezzo a apparentemente nulla. I sensori appositamente creati sono progettati per registrare con precisione i segnali infrasonici e registrarli a 1, 000 campioni al secondo. Un preciso riferimento temporale è fornito dal GPS.

I dati grezzi dei sensori non sono altro che una linea ondulata, ma quella linea è ricca di informazioni.

"Una volta che i dati vengono trasferiti a un computer, può essere elaborato utilizzando algoritmi personalizzati che rilevano quando e dove si trovano i tornado, " Disse Frazier. "In futuro, se la tecnologia si dimostrasse praticabile, questo processo può essere completamente automatizzato per fornire informazioni in tempo reale."

Ogni batteria su questa collina deve essere sostituita, ma il giorno si è riscaldato; il lavoro va veloce, e presto il duo si dirige a ovest nel loro viaggio di 160 miglia verso Oxford.

Quello che viene dopo

Il lavoro di rilevamento e tracciamento dei tornado dei ricercatori di Ole Miss ha portato a articoli in pubblicazioni come The Journal of the Acoustical Society of America, e diverse apparizioni discorsive, compreso all'inizio di quest'anno al 100° meeting dell'American Meteorological Society a Boston.

Il lavoro è apparso anche su testate giornalistiche nazionali, come il Washington Post. E i ricercatori sono apparsi sul podcast WeatherBrains e su The Weather Channel per parlare dello studio.

Bisogna lavorare di più, anche se. Più indagare. Più dati. Ma i primi risultati sono promettenti.

"Abbiamo dimostrato che il rilevamento e il monitoraggio dei tornado utilizzando le loro emissioni di infrasuoni è fattibile, " Waxler ha detto. "Stiamo attualmente studiando il meccanismo fisico attraverso il quale gli infrasuoni vengono emessi da un tornado, e stiamo analizzando i dati delle tempeste non tornadiche per vedere se ci sono segnali infrasuoni che potrebbero produrre falsi positivi.

"Credo che con finanziamenti continui, questa ricerca porterebbe a sistemi di allarme operativi entro circa cinque anni".

Nel frattempo, le dozzine di sensori messi a punto dai ricercatori di UM siedono sotto cupole bianche. Nei campi della Louisiana o sui pendii dell'Alabama, gli array raccolgono silenziosamente dati che potrebbero salvare vite in futuro.