Cientistas usam raios cósmicos para estudar tornados e outras tempestades severas

Os raios cósmicos podem oferecer aos cientistas outra maneira de rastrear e estudar tornados violentos e outros fenômenos climáticos severos, sugere um novo estudo.

Ao combinar dados climáticos locais com simulações astrofísicas complexas, os pesquisadores exploraram se um dispositivo que normalmente detecta partículas de alta energia chamadas múons poderia ser usado para medir remotamente tempestades supercelulares produtoras de tornados.

A instrumentação convencional de rastreamento de tornados depende de medições feitas por tecnologias como drones ou balões meteorológicos, mas esses métodos geralmente exigem que os humanos cheguem perigosamente perto do caminho de uma tempestade que se aproxima.

No entanto, ao estudar como essas tempestades afetam os múons, que são mais pesados ​​que os elétrons e viajam pela matéria quase na velocidade da luz, essas descobertas podem servir como outra ferramenta para os cientistas obterem uma imagem mais precisa das condições climáticas subjacentes.

“O problema com os múons atmosféricos é que eles são sensíveis às propriedades da atmosfera pela qual viajam”, disse William Luszczak, principal autor do estudo e membro do Centro de Cosmologia e Física de Astropartículas da Universidade Estadual de Ohio.

“Se você tem um grupo de múons que viajou através de uma tempestade, a quantidade que você vai medir do outro lado é diferente de um feixe de múons que viajou durante um dia bonito.”

O estudo é publicado no servidor de pré-impressão arXiv.

Comparados a outras partículas cósmicas, os múons têm muitas aplicações únicas no mundo real, incluindo ajudar cientistas a espiar dentro de objetos grandes e densos como as pirâmides ou detectar material nuclear perigoso. Agora, as simulações de Luszczak neste artigo implicam que tempestades de supercélulas causam mudanças muito leves no número, direção e intensidade dessas partículas.

Para determinar isso, os pesquisadores aplicaram um modelo de nuvem tridimensional que poderia levar em conta múltiplas variáveis, incluindo vento, temperatura potencial, chuva, neve e granizo. Então, usando observações atmosféricas coletadas da supercélula de 2011 que passou por El Reno, Oklahoma, e gerou um surto de tornado, Luszczak aplicou essas informações para medir variações na pressão do ar na região ao redor de uma tempestade simulada ao longo do período de uma hora.

No geral, seus resultados descobriram que os múons são de fato afetados pelo campo de pressão dentro dos tornados, embora mais pesquisas sejam necessárias para aprender mais sobre o processo.

Em termos de quão bem isso poderia funcionar em campo, o conceito é especialmente atraente, pois utilizar múons para prever e analisar padrões climáticos futuros também significaria que os cientistas não precisariam necessariamente tentar colocar instrumentos muito perto de um tornado para obter essas medições de pressão, disse Luszczak.

Ainda assim, o tipo de detector de partículas de múons que o artigo de Luszczak considera é muito menor do que outros projetos de raios cósmicos mais conhecidos, como o Observatório Pierre Auger na Argentina e o Telescope Array da Universidade de Utah.

Infelizmente, esses detectores não ficam em locais onde possam estudar tornados, disse Luszczak, mas se colocados em uma região como Tornado Alley, nos Estados Unidos, os pesquisadores imaginam que o dispositivo poderia facilmente complementar medições meteorológicas e barométricas típicas de atividade de tornados.

Dito isso, o tamanho do dispositivo também influencia a precisão de suas medições, pois aumentá-lo aumenta o número de partículas que ele pode detectar, disse Luszczak.

O menor detector que os pesquisadores descrevem neste artigo tem 50 metros de diâmetro, ou aproximadamente o tamanho de cinco ônibus. Mas, embora tal ferramenta fosse portátil o suficiente para garantir que os cientistas pudessem colocá-la perto de muitos tipos diferentes de sistemas de tempestade, ser tão pequeno provavelmente faria com que enfrentasse alguns erros em sua coleta de dados, disse Luszczak.

Apesar desses potenciais contratempos, já que as tempestades supercelulares geralmente se formam e desaparecem em períodos curtos, o artigo enfatiza que pode valer a pena que cientistas futuros considerem a implementação de um grande detector em algumas regiões — um que provavelmente seria um estabelecimento estacionário permanente para capturar o máximo de múons possível durante eventos climáticos severos.

Mais importante, como os atuais sistemas de modelagem climática estão diretamente ligados a quando e onde os alertas de clima severo são emitidos, usar raios cósmicos para fortalecer esses modelos daria ao público uma noção mais detalhada das várias reviravoltas de uma tempestade, bem como mais tempo para se preparar para o fenômeno.

“Ao ter melhores medições da atmosfera ao redor de um tornado, nossa modelagem melhora, o que então melhora a precisão de nossos avisos”, disse Luszczak. “Este conceito é muito promissor, e é uma ideia realmente empolgante para tentar colocar em ação.”