Един физик от 18-ти век за първи път предсказа съществуването на атмосферни вълни, които обикалят около Земята. Учените най-накрая ги откриват.
Атмосферата е толкова хаотична бъркотия, че опровергава анализа дори и от най-сложните метеорологични алгоритми днес. Но сложността й не сприра френския учен Пиер-Симон Лаплас да предвиди един прост аспект на атмосферното поведение в края на 17-ти век. Въпреки че никога не е виждал глобална метеорологична карта, Лаплас разработва теория, предсказваща, че вълните на налягане на континента периодично ще обикалят целия свят.
„Да се прави атмосферно моделиране с помощта на молив и хартия е било доста трудно до 20-ти век и въпреки това Лаплас е успял да го направи“, коментира Дейвид Рандъл (David Randall), атмосферен учен от държавния университет в Колорадо. „Мисля, че това е изумително.“
Идеите на Лаплас поставят началото на вековния стремеж да се намерят такива вълни. Но колебанията толкова фини, колкото и гигантски, упорито отказват да се разкрият дори пред някои от най-големите имена във физическите науки.
Най-сетне търсенето приключва. Нов набор от метеорологични данни разкрива какво са пропуснали милиони барометрични показания - група вълни, които се движат около Земята, покривайки я като пъстър юрган от зони с високо и ниско налягане. Откритието е зашеметяващо доказателство на старата теория.
„Това е наистина красивa работа“, отбелязва Лео Донър (Leo Donner), геофизик от Принстънския университет, който не участва в изследването.
Струните на планетата
Лаплас се е питал до каква степен Луната гравитационно изтласква въздуха, заобикалящ нашата планета, и ученият се заема да анализира типовете вълни, които могат да се появят като последица. Той си представя атмосферата като тънка течност върху гладка сфера и заключава, че гравитацията трябва да притиска един клас вълни към Земята, където те ще се движат повече или по-малко хоризонтално - двуизмерни вълни, които прегръщат повърхността на планетата.
„Той наистина бе първият човек, осъзнал тази картина“, разказва Кевин Хамилтън (Kevin Hamilton), професорт от Университета на Хавай, Маноа и съавтор на новите изследвания. „Това е невероятно прозрение.“
Лаплас не дава име на тези вълни и не разработва поведението им подробно, но съвременните учени, изучаващи атмосферата сега ги описват като „нормални модове (режими)“ - normal modes (модове - ладове или система от група музикални тонове) - вълни, които резонират като звън на камбана. Най-простият мод повишава налягането в едното полукълбо и го понижава в другото. По-енергийните режими създават пъстри модели на по-малки зони с високо и ниско налягане. Те препускат около цялото земно кълбо със скорост, превишаваща тази на повечето пътнически самолети, главно на изток и запад.
Вълните с високо налягане (червени) и ниско налягане (сини) обикалят около Земята. Тези четири глобуса представляват четири различни режима на вълните на налягане. Кредит: T. Sakazaki and K. Hamilton, doi:10.1175/JAS-D-20-0053.1
Въпреки че Лаплас е започнал от мисълта за влиянието на Луната, вълните възникват повече от общия хаос на Земята - от бушуващите бури. Ветровете се сблъскват в планински вериги. Турбулентността раздвижва атмосферата допълнително. Част от енергията от тези сложни явления подхранва нормалните модове, които са единствените тонове, на които атмосферата може да реагира.
"Това е като коте, което ходи по клавишите на пиано", обяснява Рандъл. „Случайното форсиране може да покаже какви струни има в пианото.“
Лаплас дава идеята на хората, че такива вълни могат да съществуват, а неговата математика дава на физиците инструментите за изчисляване на настройките ("акордирането") на атмосферата. Но дали някой би могъл да чуе нотите й?
Приблизително по същото време, когато Лаплас представя своя модел, изследователи и натуралисти, включително Александър фон Хумболт, забелязват, че налягането в тропиците се повишава и пада на всеки 12 часа. Този денонощен времеви цикъл свързва промените със затоплението от Слънцето, но теоретиците не успяват да обяснят защо ефектът е толкова голям. Мистерията продължава да озадачава учените близо век, докато лорд Келвин през 1882 г. не се досеща, че слънчевият цикъл на нагряване резонира с едно от „свободните осцилации на Лаплас“. Той смята, че Слънцето може да донесе допълнителен ефект, защото създава вибрации точно с честотата на една от осцилацията на Лаплас, както оперният певец може да разбие чаша за вино с правилната честота. Неговото предложение се оказа погрешно - изследователите през 60-те години на миналия век определят, че по-сложно явление усилва слънчевото влияние - но подтикна учените да изработят количествените подробности от теорията на Лаплас и да изчислят точно какви честоти трябва да имат нормалните модове.
Най-ниските ноти, отговарящи на тези прогнози, няма да влязат в научните записи чак до 80-те години, за първи път от анализ на Таро Мацуно (Taroh Matsuno), японски метеоролог, а по-късно от друг анализ от Хамилтън и Роландо Гарсия (Hamilton and Rolando Garcia), сега в Националния център за атмосферни изследвания. Хамилтън и Гарсия се натъкват на идеалния набор от данни: метеорологична станция в колониална Индонезия, която извършва почасово измерване на налягането през по-голямата част на един век, като пропуска само две показания за 79 години.
Записът е толкова прецизен, колкото и продължителен, като изследователите разчитат на микроскоп, за да регистрират промени на живака в логаритмичната скала толкова фини, колкото една петдесета от сантиметъра. Анализирайки този и други набори от данни, Хамилтън и Гарсия успяват да открият следи от един от най-дългите нормални модове.
По-късите вълни изглеждат извън обсега до миналата година, когато Европейският център за метеорологични прогнози за времето пуска набор от данни, наречен ERA5. Продуктът съчетава показанията от хиляди наземни станции, метеорологични балони и спътници и използва метеорологични модели за интелигентно попълване на празните места. Резултатът е набор от данни, целящ да реконструира същата информация, която би била заснета от глобална мрежа от метеорологични станции, разположени на всеки 10 километра и отчитане на всеки час от 1979 до 2016 г.
Такатоши Саказаки (Takatoshi Sakazaki), асистент в Университета в Киото, Япония, не търси вълните на Лаплас, когато излиза ERA5. Първоначално той е фокусиран върху температурните колебания и гледа на върховете на налягането като на нежелан шум. Но когато разбира, че може да са нормални модове, ги съставя с теоретичните очаквания и заявява: „Открих, че почти напълно съвпадат“.
Саказаки не е сигурен колко значима е неговата находка, затова се обръща към Хамилтън, който му е научен ръководител на докторантурата, за да провери дали върховете могат да представляват интерес.
И те наистина са. Хамилтън прекарва десетилетия преди 1980 г. пресявайки данни от метеорологичните станции за намеци за най-ниските атмосферни тонове. Сега във входящата си поща изведнъж намира доказателства за пълната симфония.
Саказаки и Хамилтън работят заедно, за да анализират пълната триизмерна структура на вълните в изключителни детайли. Те публикуват своите открития в юлския брой на Journal of Atmospheric Sciences. Изследванията им подробно описват поведението на десетки вълни, много повече от откритите през 80-те години. Някои от вълните с най-висока енергия преминават от високо до ниско налягане десетина пъти, простирайки се около планетата, някои групи вълни се въртят, заради въртенето на Земята. Всичките им резултати точно съвпадат с прогнозите, базирани на уравненията на Лаплас.
"Когато видях това, си представих, че Лаплас и Келвин биха се развълнували да видят нещо подобно", споделя Хамилтън.
Справка: An Array of Ringing Global Free Modes Discovered in Tropical Surface Pressure Data
Takatoshi Sakazaki; Kevin Hamilton
Journal of Atmospheric Sciences (2020) 77 (7): 2519–2539.
https://doi.org/10.1175/JAS-D-20-0053.1
Източник: Global Wave Discovery Ends 220-Year Search, Quanta magazine
Още по темата
Земята
Как и дали ще се формира нов океан в африканския континент (видео)
Животът
Защо начинът, по който дишаме, е толкова важен по време на пандемията
Физика
През 1749 г. е роден Лаплас - математик и астроном без никакви политически принципи
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари