Circa 1, 000 tornado colpiscono gli Stati Uniti ogni anno, causando miliardi di dollari di danni e uccidendo in media circa 60 persone. I dati di monitoraggio mostrano che stanno diventando sempre più comuni nel sud-est, e meno frequenti in "Tornado Alley, " che si estende attraverso le Grandi Pianure. Gli scienziati non hanno una chiara comprensione di come si formano i tornado, ma una sfida più urgente è sviluppare sistemi di previsione e allerta più accurati. Richiede un equilibrio fine:senza avvertimenti, la gente non può ripararsi, ma se sperimentano troppi falsi allarmi, diventeranno assuefatti.

Un modo per migliorare gli strumenti di previsione dei tornado potrebbe essere ascoltare meglio, secondo l'ingegnere meccanico Brian Elbing della Oklahoma State University di Stillwater, nel cuore di Tornado Alley. Non intende alcun suono udibile dalle orecchie umane, anche se. Già negli anni Sessanta, i ricercatori hanno riportato prove che i tornado emettono suoni caratteristici a frequenze che non rientrano nella gamma dell'udito umano. Le persone possono sentire fino a circa 20 Hertz, che suona come un rombo basso, ma la canzone di un tornado probabilmente cade da qualche parte tra 1 e 10 Hertz.

Brandon Bianco, uno studente laureato nel laboratorio di Elbing, hanno discusso le loro recenti analisi della firma infrasuoni dei tornado al 73° incontro annuale della divisione di fluidodinamica dell'American Physical Society.

Elbing ha detto che queste firme a infrarossi erano sembrate una promettente via di ricerca, almeno fino a quando il radar non è emerso come una tecnologia all'avanguardia per i sistemi di allarme. Gli approcci basati sull'acustica sono rimasti in secondo piano per decenni. "Ora abbiamo fatto molti progressi con i sistemi radar e il monitoraggio, ma ci sono ancora dei limiti. Il radar richiede misurazioni della linea di vista." Ma la linea di vista può essere difficile in luoghi collinari come il sud-est, dove si verifica la maggior parte delle morti per tornado.

Forse è il momento di rivisitare quegli approcci acustici, disse Elbing. Nel 2017, il suo gruppo di ricerca ha registrato esplosioni di infrasuoni da una supercella che ha prodotto un piccolo tornado vicino a Perkins, Oklahoma. Quando hanno analizzato i dati, hanno scoperto che le vibrazioni sono iniziate prima che si formasse il tornado.

I ricercatori sanno ancora poco della fluidodinamica dei tornado. "Finora ci sono state otto misurazioni attendibili della pressione all'interno di un tornado, e nessuna teoria classica li prevede, " disse Elbing. Non sa come viene prodotto il suono, o, ma conoscere la causa non è necessario per un sistema di allarme. L'idea di un sistema basato sull'acustica è semplice.

"Se ho lasciato cadere un bicchiere dietro di te e si è frantumato, non hai bisogno di voltarti per sapere cosa è successo, " ha detto Elbing. "Quel suono ti dà un buon senso del tuo ambiente immediato." Le vibrazioni degli infrasuoni possono viaggiare su lunghe distanze rapidamente, e attraverso diversi media. "Potremmo rilevare tornado a 100 miglia di distanza".

I membri del gruppo di ricerca di Elbing hanno anche descritto una serie di sensori per rilevare i tornado tramite l'acustica e hanno presentato i risultati degli studi su come le vibrazioni degli infrasuoni viaggiano attraverso l'atmosfera. Il lavoro sulle firme dei tornado infrasuoni è stato sostenuto da una sovvenzione del NOAA.

Altre sessioni durante la riunione della Divisione di Fluidodinamica hanno affrontato in modo simile modi per studiare e prevedere eventi estremi. Durante una sessione sulla dinamica non lineare, L'ingegnere del MIT Qiqi Wang ha rivisitato l'effetto farfalla, un fenomeno ben noto in fluidodinamica che si chiede se una farfalla che sbatte le ali in Brasile possa innescare un tornado in Texas.

Ciò che non è chiaro è se le ali delle farfalle possono portare a cambiamenti nelle statistiche di lunga data del clima. Indagando la domanda computazionalmente in piccoli sistemi caotici, ha scoperto che piccole perturbazioni possono, infatti, apportare cambiamenti a lungo termine, una scoperta che suggerisce che anche piccoli sforzi possono portare a cambiamenti duraturi nel clima di un sistema.

Durante la stessa sessione, ingegnere meccanico Antoine Blanchard, un ricercatore post-dottorato al MIT, ha introdotto un algoritmo di campionamento intelligente progettato per aiutare a quantificare e prevedere eventi estremi, come tempeste o cicloni estremi, Per esempio. Gli eventi estremi si verificano con bassa probabilità, Egli ha detto, e quindi richiedono grandi quantità di dati, che può essere costoso da generare, computazionalmente o sperimentalmente. Blanchard, il cui background è nella fluidodinamica, voleva trovare un modo per identificare i valori anomali in modo più economico. "Stiamo cercando di identificare quegli stati pericolosi utilizzando il minor numero di simulazioni possibile".

L'algoritmo che ha progettato è una sorta di scatola nera:qualsiasi stato dinamico può essere alimentato come input, e l'algoritmo restituirà una misura della pericolosità di quello stato.

"Stiamo cercando di trovare le porte del pericolo. Se apri quella particolare porta, il sistema rimarrà quiescente, o impazzirà?" chiese Blanchard. "Quali sono gli stati e le condizioni, come le condizioni atmosferiche, per esempio, che se dovessi farli evolvere nel tempo potresti causare un ciclone o una tempesta?"

Blanchard ha detto che sta ancora perfezionando l'algoritmo, ma spera di iniziare presto ad applicarlo a dati reali e esperimenti su larga scala. Ha anche detto che potrebbe avere implicazioni al di là del tempo, in qualsiasi sistema che produce eventi estremi. "È un algoritmo molto generale."