A física quântica pode explicar o clima da Terra

Ao tratar a Terra como um isolante topológico – um estado de matéria quântica – os físicos encontraram uma explicação poderosa para os movimentos de torção do ar e dos mares do planeta.

Embora grande parte do ar e dos mares do nosso planeta seja agitado pelo capricho de uma tempestade, algumas características são muito mais regulares. No equador, ondas de mil quilômetros de extensão persistem em meio ao caos.

Tanto no oceano como na atmosfera, estas ondas gigantescas, chamadas ondas Kelvin, viajam sempre para leste. E alimentam padrões climáticos oscilantes, como o El Niño, um aquecimento periódico das temperaturas dos oceanos que retorna a cada poucos anos.

Os geofísicos têm se apoiado em uma explicação matemática para as ondas Kelvin equatoriais desde a década de 1960, mas para alguns, essa explicação não foi totalmente satisfatória. Esses cientistas queriam uma explicação física mais intuitiva para a existência das ondas; eles queriam compreender o fenômeno em termos de princípios básicos e responder a perguntas como: O que há de tão especial no equador que permite que uma onda Kelvin circule por lá? E “por que diabos ele sempre viaja para o leste?” disse Joseph Biello, matemático aplicado da Universidade da Califórnia, Davis.

Em 2017, um trio de físicos aplicou um tipo diferente de pensamento ao problema. Começaram por imaginar o nosso planeta como um sistema quântico e acabaram por fazer uma ligação improvável entre a meteorologia e a física quântica. Acontece que a rotação da Terra desvia o fluxo de fluidos de uma forma análoga à forma como os campos magnéticos distorcem os caminhos dos elétrons que se movem através de materiais quânticos chamados isolantes topológicos. Se imaginarmos o planeta como um isolante topológico gigante, disseram eles, podemos explicar a origem das ondas Kelvin equatoriais.

Mas mesmo que a teoria funcionasse, ainda era apenas teórica. Ninguém o verificou diretamente por observação. Agora, numa nova pré-impressão, uma equipa de cientistas descreve a medição direta das ondas atmosféricas retorcidas – o tipo exato de evidência necessária para reforçar a teoria topológica. O trabalho já ajudou os cientistas a usar a linguagem da topologia para descrever outros sistemas e poderá levar a novos conhecimentos sobre as ondas e os padrões climáticos na Terra.

“Esta é uma confirmação direta destas ideias topológicas, obtidas a partir de observações reais”, disse Brad Marston, físico da Universidade Brown e autor do novo artigo. “Na verdade, estamos vivendo dentro de um isolante topológico.”

Geoffrey Vallis, matemático aplicado da Universidade de Exeter, no Reino Unido, que não esteve envolvido no trabalho, disse que o novo resultado é um avanço significativo que fornecerá uma “compreensão fundamental” dos sistemas fluidos da Terra.

Existem duas maneiras de começar esta história. O primeiro é sobre água e começa com William Thomson, também conhecido como Lord Kelvin. Em 1879, notou que as marés no Canal da Mancha eram mais fortes ao longo da costa francesa do que no lado inglês. Thomson percebeu que esta observação poderia ser explicada pela rotação da Terra. À medida que o planeta gira, gera uma força, chamada força de Coriolis, que faz com que os fluidos em cada hemisfério girem em direções diferentes: no sentido horário no norte, no sentido anti-horário no sul. Este fenómeno empurra a água do Canal da Mancha contra a costa francesa, forçando as ondas a fluir ao longo da sua costa. Agora conhecidas como ondas Kelvin costeiras, estas ondas têm sido observadas em todo o mundo, fluindo no sentido horário em torno de massas de terra (com a linha costeira no lado direito da onda) no hemisfério norte e no sentido anti-horário no hemisfério sul.

Mas demoraria quase um século até que os cientistas descobrissem as ondulações equatoriais muito maiores e as ligassem às ondas costeiras de Kelvin.

Isso aconteceu em 1966, quando Taroh Matsuno, um meteorologista, modelava matematicamente o comportamento dos fluidos – tanto o ar como a água – perto do equador da Terra. Com seus cálculos, Matsuno mostrou que ondas Kelvin também deveriam existir no equador. No mar, em vez de empurrarem a costa, colidiriam com a água do hemisfério oposto, que girava na direção oposta. De acordo com a matemática de Matsuno, as ondas equatoriais resultantes deveriam fluir para leste e deveriam ser enormes – milhares de quilómetros de comprimento.