Meio ambiente

Segredos do floco de neve: os cientistas descobrem que seu movimento é surpreendentemente previsível

Santiago Ferreira

A pesquisa inovadora do cientista atmosférico Tim Garrett sobre flocos de neve revelou que seu movimento na turbulência do ar, anteriormente considerado altamente complexo, pode ser previsto usando um modelo matemático simples baseado no número de Stokes. Este avanço, alcançado através de instrumentação avançada, tem implicações significativas para a previsão do tempo e a compreensão das alterações climáticas. Crédito: Naturlink.com

Pesquisadores de Utah conduziram um estudo que pode melhorar significativamente a previsão do tempo ao descobrir que o movimento dos flocos de neve é ​​surpreendentemente previsível.

Tim Garrett dedicou sua carreira científica ao estudo dos flocos de neve, as partículas de gelo em constante mudança que se originam nas nuvens e se transformam dramaticamente à medida que descem à Terra.

Agora, o cientista atmosférico da Universidade de Utah está desvendando o mistério de como os flocos de neve se movem em resposta à turbulência do ar que acompanha a queda de neve, usando uma nova instrumentação desenvolvida no campus. E depois de analisar mais de meio milhão de flocos de neve, o que a sua equipe descobriu o deixou surpreso.

Em vez de algo incompreensivelmente complicado, prever como os flocos de neve se movem provou ser surpreendentemente simples, descobriram eles.

“A forma como os flocos de neve caem tem atraído muito interesse durante muitas décadas porque é um parâmetro crítico para prever o tempo e as alterações climáticas”, disse Garrett. “Isso está relacionado à velocidade do ciclo da água. A rapidez com que a umidade cai do céu determina a duração das tempestades.”

‘Cartas enviadas do céu’

O famoso físico japonês Ukichiro Nakaya chamou os cristais de neve de “cartas enviadas do céu” porque suas estruturas delicadas carregam informações sobre as flutuações de temperatura e umidade nas nuvens, onde as facetas cristalinas basais e prismáticas competiam pela deposição de vapor de água.

Embora se acredite que cada floco de neve seja completamente único, a forma como essas partículas geladas caem no ar – à medida que aceleram, flutuam e giram – segue padrões, de acordo com uma nova pesquisa de Garrett e colegas da Faculdade de Engenharia. O movimento dos flocos de neve tem implicações importantes para a previsão do tempo e as alterações climáticas, mesmo nos trópicos.

“A maior parte da precipitação começa como neve. Como a questão de quão rápido ela cai afeta as previsões de onde a precipitação cai no solo e quanto tempo as nuvens duram para refletir a radiação para o espaço sideral”, disse Garrett. “Isso pode até afetar as previsões da trajetória de um furacão.”

Também envolvidos na pesquisa estão Dhiraj Singh e Eric Pardyjak, do Departamento de Engenharia Mecânica dos EUA.

Equipamento DEID em Alta

O estudante de graduação Ryan Szczerbinski examina a instrumentação chamada Disdrômetro de Imagem de Emissividade Diferencial, ou DEID, desenvolvida por pesquisadores da Universidade de Utah e instalada em Alta, perto do topo do Little Cottonwood Canyon. O equipamento mede a massa, tamanho e densidade dos flocos de neve do hidrometeoro. Crédito: Tim Garrett, Universidade de Utah

Para estudar o movimento dos flocos de neve, a equipe precisava de uma maneira de medir flocos de neve individuais, o que tem sido um quebra-cabeça desafiador há anos.

“Eles têm massas muito baixas. Eles podem pesar apenas 10 microgramas, um centésimo de miligrama, por isso não podem ser pesados ​​com precisão muito alta”, disse Garrett.

Trabalhando com professores de engenharia, Garrett desenvolveu uma instrumentação chamada Disdrômetro de Imagem de Emissividade Diferencial, ou DEID, que mede a massa, tamanho e densidade do hidrometeoro dos flocos de neve. Desde então, este dispositivo foi comercializado por uma empresa cofundada por Garrett, chamada Particle Flux Analytics. O Departamento de Transportes de Utah implantou o equipamento em Little Cottonwood Canyon para ajudar na previsão de avalanches, disse ele.

Para os experimentos de campo de Garrett, sua equipe o instalou em Alta, o famoso destino de esqui e o local com mais neve de Utah no inverno de 2020-21. A instrumentação foi implantada juntamente com medições de temperatura do ar, umidade relativa e turbulência, e colocada diretamente abaixo de um sistema de rastreamento de partículas que consiste em uma folha de luz laser e uma câmera reflex de lente única.

“Medindo a turbulência, a massa, a densidade e o tamanho dos flocos de neve e observando como eles serpenteiam na turbulência”, disse Garrett, “somos capazes de criar uma imagem abrangente que não tinha sido obtida antes em um ambiente natural antes.”

As descobertas não foram o que a equipe esperava.

Apesar das formas complexas dos flocos de neve e do movimento desigual do ar que encontram, os pesquisadores descobriram que poderiam prever como os flocos de neve acelerariam com base em um parâmetro conhecido como número de Stokes (St), que reflete a rapidez com que as partículas respondem às mudanças no movimentos de ar circundantes.

Quando a equipe analisou a aceleração de flocos de neve individuais, a média aumentou de forma quase linear com o número de Stokes. Além disso, a distribuição destas acelerações poderia ser descrita por uma única curva exponencial independente do número de Stokes.

Os investigadores descobriram que o mesmo padrão matemático pode estar ligado à forma como as mudanças nas formas e tamanhos dos flocos de neve afetam a rapidez com que caem, sugerindo uma ligação fundamental entre a forma como o ar se move e como os flocos de neve mudam à medida que caem das nuvens para o solo.

“Isso, para mim, quase parece místico”, disse Garrett. “Há algo mais profundo acontecendo na atmosfera que leva à simplicidade matemática, em vez da extraordinária complexidade que esperaríamos ao observar estruturas complicadas de flocos de neve girando caoticamente no ar turbulento. Só temos de olhar para a questão da forma correta e os nossos novos instrumentos permitem-nos ver isso.”

O estudo foi financiado pela National Science Foundation.

Santiago Ferreira é o diretor do portal Naturlink e um ardente defensor do ambiente e da conservação da natureza. Com formação académica na área das Ciências Ambientais, Santiago tem dedicado a maior parte da sua carreira profissional à pesquisa e educação ambiental. O seu profundo conhecimento e paixão pelo ambiente levaram-no a assumir a liderança do Naturlink, onde tem sido fundamental na direção da equipa de especialistas, na seleção do conteúdo apresentado e na construção de pontes entre a comunidade online e o mundo natural.

Santiago