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Ciência02/02/2022

Erupção de Tonga foi tão intensa que fez a atmosfera soar como um sino

Imagem de satélite da erupção do Hunga Tonga com os restos do ciclone tropical Cody a sudoeste no dia 15 de janeiro de 2022. Crédito: Agência Meteorológica do Japão

02/02/22 - 12h49min

A erupção Hunga Tonga-Hunga Ha’apai atingiu um crescendo explosivo em 15 de janeiro de 2022. Sua rápida liberação de energia gerou um tsunami oceânico que causou danos até a costa oeste dos EUA, mas também gerou ondas de pressão na atmosfera que rapidamente se espalharam pelo mundo.

O padrão de ondas atmosféricas perto da erupção foi bastante complicado, mas a milhares de quilômetros de distância parecia uma frente de onda isolada viajando horizontalmente a mais de 1.045 quilômetros por hora à medida que se espalhava.

James Garvin, da Nasa, cientista-chefe do Centro de Voos Espaciais Goddard (Goddard Space Flight Center), disse à NPR que a agência espacial estimou que a explosão foi de cerca de 10 megatons de TNT equivalente, cerca de 500 vezes mais poderosa que a bomba lançada em Hiroshima, no Japão, durante a Segunda Guerra Mundial. Dos satélites que observavam com sensores infravermelhos acima, a onda parecia uma ondulação produzida pela queda de uma pedra em um lago.

Propagação ao redor do mundo

O pulso registrou perturbações na pressão atmosférica que duraram vários minutos enquanto ele se movia sobre a América do Norte, Índia, Europa e muitos outros lugares ao redor do globo. Online, as pessoas acompanharam o progresso do pulso em tempo real enquanto os observadores postavam suas observações barométricas nas mídias sociais. A onda se propagou por todo o mundo e voltou em cerca de 35 horas.

Sou um meteorologista que estuda as oscilações da atmosfera global há quase quatro décadas. A expansão da frente de onda da erupção de Tonga foi um exemplo particularmente espetacular do fenômeno de propagação global de ondas atmosféricas, que tem sido visto após outros eventos explosivos históricos, incluindo testes nucleares.

Essa erupção foi tão poderosa que fez com que a atmosfera soasse como um sino, embora em uma frequência muito baixa para ouvir. É um fenômeno teorizado pela primeira vez há mais de 200 anos.

Krakatoa, 1883

A primeira onda de pressão que atraiu a atenção científica foi produzida pela grande erupção do Monte Krakatoa, na Indonésia, em 1883.

O pulso de onda do Krakatoa foi detectado em observações barométricas em locais em todo o mundo. A comunicação era mais lenta naquela época, é claro, mas em poucos anos os cientistas combinaram as várias observações individuais e conseguiram traçar em um mapa-múndi a propagação da frente de pressão nas horas e dias após a erupção.

A frente de onda viajou para fora do Krakatoa e foi observada fazendo pelo menos três viagens completas ao redor do globo. A Royal Society de Londres publicou uma série de mapas que ilustram a propagação da frente de onda em um famoso relatório de 1888 sobre a erupção.

As ondas vistas após o Krakatoa ou a recente erupção de Tonga são ondas sonoras de frequência muito baixa. A propagação ocorre à medida que as mudanças de pressão locais produzem uma força no ar adjacente, que então acelera, causando uma expansão ou compressão com mudanças de pressão que o acompanham, o que, por sua vez, força o ar mais ao longo do caminho da onda.

Em nossa experiência normal com ondas sonoras de alta frequência, esperamos que o som viaje em linhas retas, digamos, de um foguete explodindo diretamente ao ouvido do espectador no chão. Mas esses pulsos de pressão global têm a peculiaridade de se propagarem apenas horizontalmente e, portanto, se curvarem à medida que seguem a curvatura da Terra.

Uma teoria de ondas que abraçam a Terra

Há mais de 200 anos, o grande matemático, físico e astrônomo francês Pierre-Simon de Laplace previu tal comportamento.

Laplace baseou sua teoria nas equações físicas que governam os movimentos atmosféricos em escala global. Ele previu que deveria haver uma classe de movimentos na atmosfera que se propagam rapidamente, mas abraçam a superfície da Terra. Laplace mostrou que as forças da gravidade e a flutuabilidade atmosférica favorecem os movimentos horizontais do ar em relação aos movimentos verticais do ar, e um efeito é permitir que algumas ondas atmosféricas sigam a curvatura da Terra.

Durante a maior parte do século 19, isso parecia uma ideia um tanto abstrata. Mas os dados de pressão após a erupção do Krakatoa em 1883 mostraram de maneira dramática que Laplace estava correto e que esses movimentos que abraçam a Terra podem ser excitados e se propagam por enormes distâncias.

A compreensão desse comportamento é usada hoje para detectar explosões nucleares distantes. Mas as implicações completas da teoria de Laplace para a vibração de fundo da atmosfera global só foram confirmadas recentemente.

Tocando como um sino

Uma erupção que faz a atmosfera soar como um sino é uma manifestação do fenômeno que Laplace teorizou. O mesmo fenômeno também está presente como vibrações globais da atmosfera.

Essas oscilações globais, análogas ao movimento da água para frente e para trás em uma banheira, só recentemente foram detectadas de forma conclusiva.

As ondas podem conectar a atmosfera rapidamente em todo o globo, como as ondas que se propagam através de um instrumento musical, como uma corda de violino, pele de tambor ou sino de metal. A atmosfera pode e faz “tocar” em um conjunto de frequências distintas.

Padrões e frequências identificados

Em 2020, meu colega da Universidade de Kyoto, Takatoshi Sakazaki, e eu pudemos usar observações modernas para confirmar as implicações da teoria de Laplace para as vibrações globalmente coerentes da atmosfera. Analisando um conjunto de dados de pressão atmosférica recém-lançado a cada hora por 38 anos em locais em todo o mundo, conseguimos identificar os padrões e frequências globais que Laplace e outros que o seguiram teorizaram.

Essas oscilações atmosféricas globais são de frequência muito baixa para serem ouvidas, mas são excitadas continuamente por todos os outros movimentos na atmosfera, fornecendo uma “música de fundo” muito suave, mas persistente, para as flutuações climáticas mais dramáticas em nossa atmosfera.

O trabalho de Laplace foi um primeiro passo no caminho para nossa moderna previsão do tempo por computador.

* Kevin Hamilton é professor emérito de Ciências Atmosféricas na Universidade do Havaí (EUA).

** Este artigo foi republicado do site The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original aqui.

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Centro de Voos Espaciais Goddard