Avvia l’atmosfera di un pianeta dalla quiete e guarda le celle di Hadley crescere dai tropici finché la formula chiusa di Held e Hou dice che devono fermarsi: l’aria che sale all’equatore conserva il suo momento angolare nel viaggio verso il polo, così che il vento in quota diventa Ω·a·sin²φ/cos φ, una corrente a getto subtropicale, e la cella arriva solo fin dove consente la costruzione ad aree uguali: 26,5° per la Terra, non i 28,8° della formula per piccoli angoli. Sotto, gli alisei diventano venti occidentali dove lo dice il bilancio del momento angolare, e i loro momenti si annullano. Rallenta il pianeta e le celle si allargano verso i poli; fermalo e una sola cella riempie ogni emisfero senza alcun vento zonale. Sposta il riscaldamento di sei gradi a nord e l’ascesa salta a 21°, con la cella invernale cento volte più forte di quella estiva, come trovarono Lindzen e Hou; lascia scorrere le stagioni e l’ITCZ oscilla di 18° da ogni lato, con due mesi di ritardo.
Segui una costa dell’Asia meridionale nel corso dell’anno. Lo stesso sole scalda la terra poco profonda e il mare profondo, ma la terra risponde in pochi giorni e il mare con due mesi di ritardo, come dicono il guadagno in formula chiusa 1/sqrt(1+(ωτ)²) e il ritardo atan(ωτ). Il loro contrasto muove un vento di rovesciamento; verso terra porta l’umidità dell’aria marina, e il calore latente della pioggia rinforza proprio la circolazione che l’ha portata. Così il monsone non cresce dolcemente: appena la forzante della terra diventa positiva, la pioggia salta a un diluvio in una settimana, nubi scure arrivano dal mare e si ammassano contro le colline, le risaie si allagano e diventano verdi; resiste fino all’autunno, finché la forzante scende sotto la piega R_c = −M²/(4Dκ). Blocca la stagione e la costa è bistabile: un’irruzione umida la fa passare all’umido, abbassare il riscaldamento o l’umidità oltre la soglia in formula chiusa la secca per sempre. Il bilancio dell’umidità chiude a meno degli arrotondamenti.
Guarda un fronte freddo passare sopra una cittadina in un pomeriggio d’estate afoso. Aria fredda, più fredda di sette gradi e spessa due chilometri, viene liberata a ovest e corre sotto l’aria calda come una corrente di densità: il suo naso avanza alla Fr·√(g’h) di Benjamin in aggiunta al vento guida, con la profondità dietro di esso e la velocità come dice la formula chiusa di Rottman e Simpson, e il ventaglio di Ritter dietro. Lo strato limite caldo viene sollevato sopra l’aria fredda; sopra il suo livello di condensazione forma una shelf cloud scura con una nube a rullo lungo il naso e una cortina di pioggia dietro. L’antenna meteo e il meteogramma della cittadina registrano il calo di temperatura, il salto di pressione ρg’h, la raffica e il vento che ruota. Passa ai fronti geostrofici di Margules, inclinati di f·Δv·T/(gΔT): un fronte freddo portato dal vento, o un fronte caldo con la pioggia davanti e la pressione in calo. Senza contrasto di densità non si muove proprio nulla.
Guarda nascere una perturbazione sull’Atlantico settentrionale, vista dall’orbita. Aria fredda a nord e aria calda a sud significano, per il vento termico, un vento occidentale che si rafforza con la quota, e quel flusso con taglio è instabile. Un’increspatura di mezzo ettopascal cresce esponenzialmente, esattamente al tasso che il modello a due strati di Phillips dà in forma chiusa, più in fretta per onde lunghe circa 3,5 raggi di Rossby, circa 4000 km; in pochi giorni le basse pressioni si approfondiscono sotto i 985 hPa, le alte si rafforzano, la nube a virgola si solleva dove l’aria calda sale davanti a ogni bassa e una banda di fronte freddo si trascina dietro. La crescita si ferma quando le perturbazioni hanno portato abbastanza calore verso il polo da allentare il gradiente. Appiattisci il gradiente di temperatura e l’onda si limita a smorzarsi; confronta due lunghezze d’onda avviate allo stesso modo; il pannello traccia il tasso di crescita in funzione del numero d’onda e contabilizza l’energia dei vortici rispetto al suo rilascio dall’energia potenziale disponibile media.
Fai crescere una tempesta tropicale su un mare caldo al tramonto: il mare cede calore all’aria in ingresso alla sua temperatura superficiale, il deflusso in quota lo restituisce cento gradi più freddo alla tropopausa, e questa macchina di Carnot fissa il vento più forte che la tempesta possa raggiungere - l’intensità potenziale. Su un mare che non si raffredda il vento segue la legge tanh della formula chiusa fino a quel limite; lascia che la tempesta rimescoli l’acqua fredda sottostante e si tiene più in basso, molto più su uno strato caldo sottile; sottoponi il vortice al taglio del vento e si assesta più debole; portala a terra e, senza apporto di calore e con terreno più ruvido, il vento decade esattamente come V0/(1 + C_D V0 t/2h). Senza differenza di temperatura non c’è macchina.
Guarda un pomeriggio d’estate costruire un temporale sopra la prateria: il sole scalda il suolo, lo strato rimescolato si approfondisce lungo l’adiabatica secca ed erode il coperchio sopra di esso, e la particella sollevata - secca fino al suo livello di condensazione, poi satura lungo la pseudoadiabatica - mostra la sua CAPE e la sua CIN su una lavagna di radiosondaggio accanto al cielo. I cumuli di bel tempo stanno alla base delle nubi, circa 125 m più in alto per ogni kelvin di scarto dal punto di rugiada, finché le termiche portano la particella oltre il suo livello di convezione libera; allora la torre sale alla velocità del pennacchio, una corrente ascendente con trascinamento ben al di sotto della formula chiusa sqrt(2 CAPE), e si allarga in un’incudine al livello di equilibrio. La sua pioggia innesca una corrente discendente fredda il cui fronte di raffica soffoca la cella. Rinforza il coperchio e il temporale non arriva mai; secca l’aria in quota e il deflusso diventa più freddo.
Guarda il vento della sera attraversare una cresta innevata: l’aria stabile spinta su per il versante sopravvento rimbalza e oscilla sottovento, e il campo d’onde lineare stazionario - l’equazione di Scorer risolta modo per modo - è disegnato come nastri di fumo che salgono e scendono sopra e dietro la cresta. Sopra una cresta larga in aria uniforme le onde salgono dritte verso l’alto come la soluzione di Queney, con una lunghezza d’onda verticale 2πU/N e una resistenza di (π/4)ρNUh0²; sotto uno strato meno stabile in quota un treno di onde sottovento resta intrappolato a valle, con la spaziatura delle creste data dal modo intrappolato in forma chiusa, più lunga al crescere del vento, finché sopra una velocità critica non resta intrappolato nulla. Le nubi lenticolari si impilano dove strati umidi vengono sollevati oltre il loro livello di condensazione, un aliante sale nell’ascendenza finché questa eguaglia la sua discesa, e una cresta troppo alta per il vento viene segnalata dove le linee di corrente si rovescerebbero.
Guarda dall’alto l’emisfero nord nella notte polare: la corrente a getto brilla come un nastro attorno al polo, colorato secondo il suo vento, con l’aria fredda artica che tinge di blu il suolo sul lato polare e l’aria calda d’arancione sull’altro. La sua intensità è il vento termico del contrasto tra equatore e polo, 25 m/s per 40 K a 500 hPa. I suoi meandri sono onde di Rossby dell’equazione della vorticità barotropica: un’onda libera deriva verso est alla velocità della formula chiusa c = U − β/(k²+l²), molto più lenta dei palloni che viaggiano con il vento, e resta ferma quando U = β/K². Le Montagne Rocciose e il Tibet forzano onde ancorate alle montagne. Indebolisci il contrasto come fa un Artico che si scalda e il getto rallenta, le onde stazionarie si accorciano e le saccature arrivano più a sud; sopra un rilievo a onda singola il getto più lento entra in risonanza, la resistenza delle montagne lo trattiene lì e l’onda resta bloccata anche quando il contrasto ritorna.
Guarda El Niño andare e venire attraverso il Pacifico equatoriale, aperto in sezione dall’Indonesia al Perù: gli alisei accumulano acqua calda a ovest e sollevano il termoclino freddo a est; riscalda l’est e gli alisei si indeboliscono, il termoclino si appiattisce e l’est si riscalda ancora - la retroazione di Bjerknes - mentre la lenta scarica del volume di acqua calda trasforma l’evento in La Niña circa un anno e mezzo dopo. Sotto un accoppiamento critico in forma chiusa l’oscillazione si spegne, in corrispondenza di esso non cresce né si attenua e il suo periodo è 2π/ω dagli autovalori lineari, sopra di esso si stabilisce un ciclo limite all’ampiezza della teoria debolmente non lineare. Manda un colpo di vento da ovest o un’atmosfera rumorosa e guarda le nubi di pioggia migrare a est; spegni l’atmosfera e l’oscillazione sparisce.
Segui ogni watt di luce solare attraverso una colonna d’aria che si erge su una fetta di Terra in una sala buia di osservatorio. Un sole a lampada riversa 340 W/m²; uno strato di nubi e il suolo ne rimandano il 30 % nello spazio, l’aria assorbe un terzo del resto, e trenta strati grigi si passano l’infrarosso verso l’alto e verso il basso. Fai partire la colonna gelata a 170 K o calda a 360 K e guarda entrambe assestarsi sullo stesso equilibrio radiativo-convettivo vicino a 288 K: il gradiente termico critico fino a una tropopausa vicina ai 9 km, 350 W/m² di controradiazione, 123 W/m² portati in alto dalla convezione, 237 W/m² che escono dalla sommità. Disattiva la convezione e il suolo sale a 332 K; togli l’aria e scende a Te; uno strato opaco dà 2^(1/4) Te. Raddoppia la CO2 per 3,7 W/m² di forzante e 1,2 K di riscaldamento, 2,8 K se il vapore acqueo segue; trasforma la foresta in deserto o in oceano e guarda la superficie assestarsi in settimane o in anni.
Guarda le calotte di un pianeta alla luce del suo sole: ogni fascia di latitudine assorbe luce solare secondo il suo albedo, irradia nello spazio e scambia calore con le vicine. Il sole di oggi pone il margine dei ghiacci vicino a 66 gradi; affievoliscilo piano e il margine scende verso l’equatore finché, a nove decimi dell’insolazione odierna, il ghiaccio brillante riflette tanto che l’intero pianeta gela di colpo. Ravviva il sole e la palla di neve resta gelata ben oltre il punto in cui gelò: disgela solo oltre sei quinti. Rendi ghiaccio e acqua ugualmente scuri e la retroazione sparisce: l’equilibrio è allora la soluzione P2 chiusa in ogni fascia.
Segui ogni petagrammo di carbonio attraverso un plastico museale della Terra: i camini bruciano carbonio fossile e lo mandano nell’aria, la foresta lo assorbe e lo lascia cadere nel suolo, il suolo lo restituisce respirando sempre più in fretta man mano che il mondo si scalda, e l’oceano lo scioglie: prima il sottile strato superficiale, la cui chimica tampone ne prende solo un decimo di quanto suggerirebbero le sue dimensioni (il fattore di Revelle), poi, nel corso dei secoli, l’oceano profondo. Ripercorri l’era industriale: 667 PgC fino al 2025 portano la CO2 a 426 ppm con il 47 % ancora nell’aria; mantieni le emissioni e la CO2 supera 580 ppm nel 2100; arriva a zero netto nel 2050 e torna a scendere verso 329 ppm. Rilascia lo stesso carbonio tutto insieme o nell’arco di due secoli, disbosca la foresta, e guarda il ciclo ridistribuirlo: accanto sono mostrati la risposta multiesponenziale del ciclo linearizzato, la sua ripartizione d’equilibrio e un bilancio esatto del carbonio.
Fai gorgogliare aria con un CO2 a scelta in un becher di acqua di mare su un banco di laboratorio e guarda l’indicatore cambiare colore. Il carbonio disciolto e l’alcalinità dell’acqua fissano il suo pH e le quote di CO2 disciolto, bicarbonato e ione carbonato, con le costanti pubblicate di Lueker, Dickson, Millero, Weiss e Mucci; il fattore di Revelle spiega perché la pressione di CO2 dell’acqua sale dieci volte più in fretta del suo carbonio. Alza il CO2 dell’aria e lo ione carbonato cala finché, vicino a quattromila microatmosfere, l’acqua non regge più l’aragonite: la conchiglia sul fondo comincia a sciogliersi, e le sue due unità di alcalinità per ogni carbonio tamponano l’acqua appena sotto la saturazione. L’acqua fredda della stessa chimica tiene meno carbonato. Il carbonio in acqua, conchiglia e aria si conserva a meno dell’arrotondamento.
Guarda il fumo del camino di una fornace di mattoni derivare all’alba sopra un paese a terrazze. I gas caldi salgono secondo il sovrinnalzamento del pennacchio di Briggs, poi il vento li porta a valle mentre la turbolenza della classe di Pasquill scelta li rimescola verso il suolo: in un mattino soleggiato instabile il pennacchio serpeggia fino a terra entro poche centinaia di metri, in uno neutro tocca il paese a un paio di chilometri, in una notte calma e stabile si apre a ventaglio in quota e raggiunge appena i tetti. Lascia che un coperchio d’inversione lo intrappoli sopra le case, oppure metti il coperchio sotto il pennacchio e il paese resta pulito. Un nastro sopra i tetti traccia la concentrazione al suolo accanto al pennacchio gaussiano, una stazione la misura; con vento uniforme e K costante la lastra si assesta sul pennacchio stazionario esatto, con il suo massimo al suolo 2Q/(eπuH²). Ferma la sorgente e guarda ciò che resta uscire dalla valle; la massa emessa eguaglia sempre ciò che è in aria, depositato e uscito.
Cammina su un piccolo pianeta coperto di margherite mentre il suo sole diventa più luminoso. Le margherite nere assorbono la luce solare e scaldano sé stesse e il pianeta, quelle bianche la riflettono e restano fresche; entrambe crescono meglio a 22,5 °C. Così il debole sole giovane è accolto dalle margherite nere, il luminoso sole vecchio da quelle bianche, e in mezzo entrambe insieme tengono il pianeta entro pochi gradi dall’ottimo mentre il pianeta spoglio si scalderebbe di quaranta: il ramo di coesistenza della formula chiusa sul pannello, con le sue temperature locali esattamente 5 K da una parte e dall’altra dell’ottimo. Porta il sole oltre 1,54 e le bianche crollano in un salto; attenualo di nuovo e tornano solo a 1,22: fai una scansione e guarda disegnarsi l’isteresi. Passa al deserto: le piante portano la propria pioggia, e con la stessa piovosità sia una savana verde sia un deserto spoglio sono stabili, finché una siccità fa cadere per sempre quella verde. Le aree sono contabilizzate a meno dell’arrotondamento.
Osserva una città costiera al crepuscolo dall’altra parte della sua baia, dal 1850 al 2300, mentre il clima risponde all’anidride carbonica che aggiungiamo: la superficie e l’oceano superiore si scaldano in pochi anni, l’oceano profondo impiega secoli, e il mare sale contro il muro del porto man mano che l’acqua si dilata e il ghiaccio fonde. Segui il percorso basso, medio, alto o di superamento, oppure mantieni la concentrazione da oggi e guarda il riscaldamento continuare: l’oceano profondo sta ancora recuperando. Raddoppia la CO2 di colpo e il riscaldamento segue due esponenziali, una rapida di quattro anni e una lenta di oltre due secoli; aumentala dell’1 % all’anno e leggi la risposta transitoria al raddoppio; provoca un’eruzione vulcanica e guarda svanire qualche decimo di grado di raffreddamento. Cambia la sensibilità e l’oceano e il pannello ridisegna ogni percorso; l’energia ricevuta è contabilizzata rispetto al calore accumulato e irraggiato a meno dell’arrotondamento.
Alcuni moduli appartengono a più Suites. Ogni esperimento condiviso ha qui una sola descrizione.
