Palloncini giganti lanciati nella stratosfera per trasmettere il servizio Internet sulla Terra hanno aiutato gli scienziati a misurare minuscole increspature nella nostra atmosfera superiore, scoprire modelli che potrebbero migliorare le previsioni meteorologiche e i modelli climatici.

le increspature, note come onde di gravità o onde di galleggiamento, emergono quando bolle d'aria vengono spinte verso l'alto e poi tirate giù per gravità. Immagina un pacco d'aria che si precipita sulle montagne, si tuffa verso valli fresche, navette per terra e per mare e rimbalza su tempeste crescenti, oscillando su e giù tra strati di atmosfera stabile in un grande tiro alla fune tra galleggiabilità e gravità. Una singola onda può viaggiare per migliaia di miglia, portando slancio e calore lungo la strada.

Sebbene meno conosciute delle onde gravitazionali - ondulazioni nel tessuto dello spazio-tempo - le onde gravitazionali atmosferiche sono onnipresenti e potenti, ha detto lo scienziato atmosferico della Stanford University Aditi Sheshadri, autore senior di un nuovo studio che dettaglia i cambiamenti nelle onde gravitazionali ad alta frequenza attraverso le stagioni e le latitudini. Causano parte della turbolenza avvertita sugli aeroplani che volano in cieli sereni e hanno una forte influenza su come si svolgono le tempeste a livello del suolo.

Palloncini ad alta quota

Pubblicato il 30 agosto nel Journal of Geophysical Research:Atmospheres , la nuova ricerca si basa sui dati dei palloncini a superpressione della società Loon LLC, che ha progettato i palloni per fornire l'accesso a Internet in aree non servite da ripetitori cellulari o cavi in ​​fibra ottica. Scissione dalla società madre di Google Alphabet nel 2018, Loon ha inviato migliaia di palloni carichi di sensori che navigano a 12 miglia nella stratosfera, ben al di sopra dell'altitudine degli aerei commerciali e della maggior parte delle nuvole, per 100 giorni o più di seguito.

"Questa è stata solo una cosa molto fortunata perché non stavano raccogliendo dati per nessuna missione scientifica. Ma, per inciso, stavano misurando posizione, temperatura e pressione, " disse Sheshadri, che è un assistente professore di scienze del sistema terrestre presso la Stanford's School of Earth, Scienze energetiche e ambientali (Stanford Earth).

I ricercatori hanno calcolato i movimenti delle onde gravitazionali dai dati raccolti dai palloncini su 6, 811 periodi separati di 48 ore dal 2014 al 2018. "Montare una campagna scientifica equivalente sarebbe terribilmente costoso. Con i dati di Loon, l'analisi è più disordinata perché la raccolta dei dati è stata accidentale, ma ha una copertura quasi globale, " disse Sheshadri.

Piccole onde, impatto planetario

Le onde gravitazionali sono una parte importante della dinamica atmosferica. "Aiutano a guidare la circolazione generale dell'atmosfera, ma alcune onde gravitazionali sono troppo piccole e troppo frequenti per essere osservate con i satelliti, " ha detto l'autore principale dello studio, Erik Lindgren, che ha lavorato alla ricerca come borsista post-dottorato nel laboratorio di Sheshadri. "Queste sono le onde gravitazionali su cui ci siamo concentrati in questo studio". Studi precedenti che utilizzavano palloni atmosferici per tracciare le onde gravitazionali ad alta frequenza hanno in genere incorporato dati provenienti da non più di poche dozzine di voli in mongolfiera, coprendo aree più piccole e meno stagioni.

I dati di Loon si sono rivelati particolarmente preziosi per il calcolo delle onde gravitazionali ad alta frequenza, che può salire e scendere centinaia di volte al giorno, su distanze che vanno da poche centinaia di piedi a centinaia di miglia. "Sono minuscoli e cambiano in tempi di minuti. Ma in un senso integrato, influenzano, ad esempio, il budget di slancio della corrente a getto, che è questa enorme cosa su scala planetaria che interagisce con le tempeste e svolge un ruolo importante nell'impostare il loro corso, " disse Sheshadri.

Le onde gravitazionali influenzano anche il vortice polare, un vortice di aria gelida che di solito si libra sopra il Polo Nord e può far esplodere il freddo estremo in alcune parti dell'Europa e degli Stati Uniti per mesi alla volta. E interagiscono con l'oscillazione quasi biennale, in quale, circa ogni 14 mesi, la fascia dei venti che soffiano alti sopra l'equatore inverte la direzione, con grandi impatti sulla riduzione dell'ozono e sulle condizioni meteorologiche di superficie ben oltre i tropici.

Di conseguenza, comprendere le onde gravitazionali è la chiave per migliorare le previsioni meteorologiche su scala regionale, soprattutto perché il riscaldamento globale continua a sconvolgere i modelli storici. "Realizzare le onde gravitazionali aiuterebbe a limitare le risposte della circolazione ai cambiamenti climatici, come quanto pioverà in un determinato luogo, il numero di tempeste, cose dinamiche come vento, pioggia e neve, " disse Sheshadri.

Costruire modelli migliori

Gli attuali modelli climatici stimano gli effetti delle onde gravitazionali ad alta frequenza sulla circolazione in una sorta di scatola nera, con pochi vincoli dalle osservazioni del mondo reale o dall'applicazione della limitata conoscenza esistente dei processi fisici in gioco. "Fino ad ora, non è stato del tutto chiaro come queste onde si comportino nelle diverse regioni o nel corso delle stagioni a frequenze molto alte o a piccole scale, " ha detto Lindgren.

Sheshadri e colleghi si sono concentrati sull'energia associata alle onde gravitazionali ad alta frequenza su diverse scale temporali, e come quell'energia varia attraverso le stagioni e le latitudini. Hanno scoperto che queste onde sono più grandi e accumulano più energia cinetica ai tropici e durante l'estate; onde più piccole che si muovono con meno energia sono più comuni vicino ai poli e durante l'inverno. Hanno anche scoperto che le onde gravitazionali cambiano in sincronia con le fasi dell'oscillazione quasi biennale. "Abbiamo scoperto cambiamenti distinti nell'attività delle onde gravitazionali in diversi periodi dell'anno e in diverse parti del globo, " Lindgren ha detto. "Per quanto riguarda esattamente il motivo non è chiaro."

Nelle ricerche future, Sheshadri mira a identificare quali sorgenti di onde gravitazionali sono responsabili di queste differenze, e per estrapolare le ampiezze delle onde gravitazionali a frequenze molto elevate da osservazioni relativamente poco frequenti. Lei disse, "Capire come le onde gravitazionali guidano la circolazione nell'atmosfera, l'interazione tra queste onde e il flusso medio:è davvero la prossima frontiera nella comprensione delle dinamiche atmosferiche".