La erupción de Tonga fue tan intensa que hizo sonar la atmósfera como una campana

La erupción Hunga Tonga-Hunga Ha’apai alcanzó un crescendo explosivo el 15 de enero de 2022.

Su rápida liberación de energía impulsó un tsunami oceánico que causó daños en lugares tan lejanos como la costa oeste de los EE. UU., pero también generó ondas de presión en la atmósfera que se extendieron rápidamente por todo el mundo.
El patrón de ondas atmosféricas cerca de la erupción era bastante complicado, pero a miles de kilómetros de distancia apareció como un frente de onda aislado que viajaba horizontalmente a más de 650 millas por hora a medida que se extendía hacia el exterior.

James Garvin de la NASA, científico jefe del Centro de Vuelo Espacial Goddard, dijo a NPR que la agencia espacial estimó que la explosión fue de alrededor de 10 megatones de TNT equivalente, unas 500 veces más poderosa que la bomba lanzada sobre Hiroshima, Japón, durante la Segunda Guerra Mundial. Desde los satélites que observaban con sensores infrarrojos arriba, la ola parecía una onda producida al dejar caer una piedra en un estanque.

El pulso se registró como perturbaciones en la presión atmosférica que duraron varios minutos mientras se movía sobre América del Norte, India, Europa y muchos otros lugares del mundo. En línea, las personas siguieron el progreso del pulso en tiempo real mientras los observadores publicaban sus observaciones barométricas en las redes sociales. La ola se propagó por todo el mundo y regresó en unas 35 horas.

Soy un meteorólogo que ha estudiado las oscilaciones de la atmósfera global durante casi cuatro décadas. La expansión del frente de onda de la erupción de Tonga fue un ejemplo particularmente espectacular del fenómeno de propagación global de ondas atmosféricas, que se ha visto después de otros eventos explosivos históricos, incluidas las pruebas nucleares.

Esta erupción fue tan poderosa que hizo que la atmósfera sonara como una campana, aunque a una frecuencia demasiado baja para escuchar. Es un fenómeno teorizado por primera vez hace más de 200 años.

Krakatoa, 1883

La primera onda de presión de este tipo que atrajo la atención científica fue producida por la gran erupción del monte Krakatoa en Indonesia en 1883.

El pulso de la onda Krakatoa se detectó en observaciones barométricas en lugares de todo el mundo. La comunicación era más lenta en esos días, por supuesto, pero en unos pocos años, los científicos combinaron las diversas observaciones individuales y pudieron trazar en un mapa mundial la propagación del frente de presión en las horas y días posteriores a la erupción.

El frente de onda viajó hacia afuera desde Krakatoa y se observó haciendo al menos tres viajes completos alrededor del mundo. La Royal Society de Londres publicó una serie de mapas que ilustran la propagación del frente de onda en un famoso informe de 1888 sobre la erupción.

Las ondas vistas después del Krakatoa o la reciente erupción de Tonga son ondas sonoras de muy baja frecuencia. La propagación ocurre cuando los cambios de presión local producen una fuerza en el aire adyacente, que luego se acelera, provocando una expansión o compresión con los cambios de presión que la acompañan, lo que a su vez empuja al aire más lejos a lo largo de la trayectoria de la onda.

En nuestra experiencia normal con ondas de sonido de alta frecuencia, esperamos que el sonido viaje en línea recta, por ejemplo, desde un cohete de fuegos artificiales que explota directamente al oído del espectador en el suelo. Pero estos pulsos de presión global tienen la peculiaridad de propagarse solo horizontalmente y, por lo tanto, doblarse a medida que siguen la curvatura de la Tierra.

Una teoría de las ondas que abrazan la Tierra

Hace más de 200 años, el gran matemático, físico y astrónomo francés Pierre-Simon de Laplace predijo tal comportamiento.

Laplace basó su teoría en las ecuaciones físicas que gobiernan los movimientos atmosféricos a escala global. Predijo que debería haber una clase de movimientos en la atmósfera que se propagan rápidamente pero abrazan la superficie de la Tierra. Laplace demostró que las fuerzas de la gravedad y la flotabilidad atmosférica favorecen los movimientos horizontales del aire en relación con los movimientos verticales del aire, y un efecto es permitir que algunas ondas atmosféricas sigan la curvatura de la Tierra.

Durante la mayor parte del siglo XIX, esto parecía una idea un tanto abstracta. Pero los datos de presión después de la erupción del Krakatoa en 1883 mostraron de manera dramática que Laplace estaba en lo correcto y que estos movimientos que abrazan la Tierra pueden ser excitados y se propagarán a través de enormes distancias.

La comprensión de este comportamiento se utiliza hoy en día para detectar explosiones nucleares lejanas. Pero las implicaciones completas de la teoría de Laplace para la vibración de fondo de la atmósfera global se han confirmado recientemente.

Sonando como una campana

Una erupción que hace sonar la atmósfera como una campana es una manifestación del fenómeno que teorizó Laplace. El mismo fenómeno también está presente como vibraciones globales de la atmósfera.
Estas oscilaciones globales, análogas al chapoteo del agua de un lado a otro en una bañera, se han detectado recientemente de manera concluyente.

Las ondas pueden conectar la atmósfera rápidamente en todo el globo, como las ondas que se propagan a través de un instrumento musical, como una cuerda de violín, una piel de tambor o una campana de metal. La atmósfera puede ‘resonar’ y lo hace en un conjunto de distintas frecuencias.

En 2020, mi colega de la Universidad de Kyoto, Takatoshi Sakazaki, y yo pudimos usar observaciones modernas para confirmar las implicaciones de la teoría de Laplace para las vibraciones globalmente coherentes de la atmósfera. Al analizar un conjunto de datos de presión atmosférica recientemente publicado cada hora durante 38 años en sitios de todo el mundo, pudimos detectar los patrones y frecuencias globales que Laplace y otros que lo siguieron habían teorizado.

Estas oscilaciones atmosféricas globales son de una frecuencia demasiado baja para escucharlas, pero son excitadas continuamente por todos los demás movimientos en la atmósfera, proporcionando una ‘música de fondo’ muy suave pero persistente a las fluctuaciones climáticas más dramáticas en nuestra atmósfera.

— El autor es de la Universidad de Hawái