Еще в XVIII веке великий французский физик предсказал существование «симфонии» атмосферных волн, охватывающей всю планету.
И теперь, 220 лет спустя, учёные наконец смогли это услышать.
Динамика атмосферы нашей планеты настолько сложна, что даже современные метеорологические алгоритмы не всегда могут ее разгадать и дать правильные предсказания.
Но это не испугало французского учёного.
Пьер-Симон маркиза де Лаплас , который в 18 веке смог предсказать одну простую, но важную особенность поведения земной атмосферы.
Хотя Лаплас никогда в жизни не видел глобальной карты погоды, он разработал теорию, предсказавшую, что по нашей планете постоянно проносятся волны с перепадом давления.
«До конца XX века моделирование атмосферы выполнялось карандашом на бумаге и было довольно грубым, но Лапласу это удалось», — говорит Дэвид Рэндалл ( Дэвид Рэндалл ), ученый в области атмосферных наук из Университета штата Колорадо.
"Это невероятно.
" Идеи Лапласа положили начало многовековой охоте за этими волнами.
Но колебания оказались не только огромными, но и очень слабыми.
Даже лучшие физики не могли их обнаружить.
И вот этот квест подошел к концу.
В новом наборе метеорологических данных современные ученые обнаружили то, что упустили миллионы барометров: «симфонию» волн, которые окутывают всю Землю лоскутным одеялом из зон низкого и высокого давления.
Это прекрасное подтверждение старой теории.
Но давайте обо всем по порядку.
Струны планеты
Лаплас в мундире канцлера сената.
Фрагмент портрета Жана-Батиста Герена, 1838 г.
Все началось с того, что Лаплас заинтересовался влиянием гравитации Луны на атмосферу Земли.
Он решил проанализировать, какие типы волн возникли в результате этого взаимодействия.
Лаплас представлял атмосферу как тонкий слой жидкости на гладкой сфере.
Он пришел к выводу, что гравитация должна толкать волны к земле, где они будут двигаться более или менее в горизонтальной плоскости — как двумерные (поверхностные) волны.
«Он был первым, кто придумал эту иллюстрацию», — объясняет Кевин Хэмилтон ( Кевин Хэмилтон ), почетный профессор Гавайского университета в Маноа и соавтор нового исследования.
«Это было потрясающее озарение».
Лаплас не дал этим волнам конкретного названия и не изучил их движение более подробно, но современные учёные-атмосферники называют их «нормальными колебаниями» (или модами, нормальными модами).
Самый простой мод повышает давление в одном полушарии и понижает в другом.
Более энергичные режимы создают шахматный узор из небольших зон низкого и высокого давления.
Они перемещаются по планете — обычно с запада на восток или с востока на запад – быстрее, чем большинство пассажирских самолётов.
(Т.
Саказаки и К.
Гамильтон, doi: 10.1175/JAS-D-20–0053.1) — Красным обозначены области высокого давления, синим — области низкого.
Четыре графика иллюстрируют четыре различных режима волн.
Хотя Лаплас начал свои рассуждения с Луны, на самом деле эти волны давления появляются из-за бурь, гроз и бурь самой Земли.
Ветер обрушивается на горные хребты, турбулентность увеличивается, и часть этой энергии используется для подпитки нормальных вибраций .
«Это похоже на то, как котенок ходит по клавишам пианино», — объясняет Рэндалл.
«По случайным нажатиям можно определить, какие струны у этого пианино».
Так, Лаплас предложил идею существования таких волн, математики дали физикам все необходимые инструменты для расчета «струн» атмосферы.
Но слышал ли кто-нибудь эти «записки»?
Звуковой поиск
Примерно в то же время, когда Лаплас обдумывал свою модель, исследователи и натуралисты – в том числе немецкий географ Александр фон Гумбольдт – заметили, что в тропиках атмосферное давление повышается и падает каждые 12 часов.Эти изменения совпали с изменениями в тепле от Солнца, но теоретики не смогли объяснить, почему эффект был настолько сильным.
Ученые пытались разгадать эту тайну почти столетие, пока в 1882 году британский физик Томсон Уильям (лорд Кельвин) не заметил, что этот нагрев сочетается с одним из «свободных колебаний» Лапласа.
Портрет Уильяма Томсона, барона Кельвина, Смитсоновские библиотеки — Лорд Кельвин
Лорд Кельвин предположил, что именно Солнце дало толчок волнам, поскольку их частота совпадала с частотой одного из колебаний Лапласа.
Его предположение оказалось ошибочным — в 1960-е годы учёные определили, что влияние Солнца усиливает другое, более сложное явление — но идея лорда Кельвина подтолкнула учёных к более тщательному анализу математической составляющей теории Лапласа.
В результате они рассчитали, какую частоту должны иметь эти нормальные колебания.
Неожиданная находка
Самые низкие «ноты», совпавшие с предсказаниями, ученые обнаружили только в 1980-х годах.Впервые они появились в работе японского метеоролога Таро Мацуно ( DOI:10.2151/jmsj1965.58.4_281 ), а чуть позже в творчестве Кевина Хэмилтона и Роландо Гарсиа (Rolando Garcia) ( DOI:10.1029/JD091iD11p11867 ).
Работа Гамильтона и Гарсиа родилась из случайного открытия — идеального набора данных с метеостанции в колониальной Индонезии, которая записывала почасовое атмосферное давление в течение 79 лет, при этом отсутствовало лишь несколько показаний.
Дневник измерений оказался не только долговечным, но и невероятно точным — длину ртутного столба исследователи измерили с помощью микроскопа с точностью до двух сотых миллиметра.
Объединив эти измерения с другими наборами данных, Гамильтон и Гарсия смогли обнаружить следы одной из самых длинных нормальных мод.
Новая база данных
Но более короткие волны оставались устойчивыми до прошлого года, когда Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды опубликовал базу данных ERA5. База данных содержит данные с тысяч наземных станций, метеозондов и спутников.«Пробелы» были заполнены с помощью мощных компьютерных моделей.
В результате эта база данных отражает информацию, которая могла бы быть собрана глобальной сетью метеостанций, расположенных каждые 10 километров и снимающих показания каждый час в период с 1979 по 2016 год. 
Запуск метеозонда.
— ABC Rural: Caddy Brain Когда Такатоши Саказаки ( Такатоши Саказаки ), доцент японского университета Киото, взялся изучать базу; он искал в нем не волны Лапласа, а изменения температуры.
Для него изменения давления были просто шумом, который нужно было устранить.
Но вскоре до него дошло, что это могут быть те самые нормальные колебания.
Когда Саказаки сравнил данные с теоретическими предсказаниями, они совпали почти идеально.
Не будучи особо уверенным в важности находки, он написал ответ Гамильтону, который тогда был его руководителем.
Прежде чем опубликовать свою работу в 1980-х годах, Гамильтон провел десятилетия, изучая данные метеостанций в поисках самых низких атмосферных «нот».
И тут в его почтовый ящик попало письмо с доказательствами существования полноценной «симфонии».
Саказаки и Гамильтон вместе проанализировали трехмерную структуру этих волн и опубликовали свои выводы в июльском выпуске Журнала атмосферных наук.
( DOI: 10.1175/JAS-D-20-0053.1 ) Работа максимально точно описывает поведение десятков волн, помимо обнаруженных в 1980-х годах.
Оказалось, что некоторые из самых энергичных меняют давление с высокого на низкое 12 раз за один оборот вокруг планеты.
Все результаты согласовались с предсказаниями, полученными на основе уравнений Лапласа.
С тобой был телеграм-канал Наука от Funscience , Спасибо за внимание! Теги: #Популярная наука #физика #Наука #открытия #планета #атмосфера
-
Субстики #82
19 Oct, 24 -
Новый Umpc От Gigabyte
19 Oct, 24
