Global Wave Discovery maakt een einde aan 220 jaar zoeken

Een 18e-eeuwse natuurkundige voorspelde voor het eerst het bestaan van een zweving van atmosferische golven die rond de aarde schieten. Wetenschappers hebben ze eindelijk gevonden.

Wetenschappers hebben een complexe reeks drukgolven ontdekt die rond de aarde racen met snelheden die de meeste vliegtuigen overtreffen.

De atmosfeer is zo’n kolkende puinhoop dat het zelfs door de meest geavanceerde meteorologische algoritmen van vandaag de dag niet kan analyseren. Maar de complexiteit ervan weerhield de Franse wetenschapper Pierre-Simon Laplace er niet van om eind 18e eeuw een eenvoudig aspect van atmosferisch gedrag te kraken. Ondanks dat Laplace nooit een wereldwijde weerkaart heeft gezien, ontwikkelde hij een theorie die voorspelde dat drukgolven ter grootte van een continent periodiek de wereld rond zouden gaan.

“Atmosferische modellering van de potlood-en-papier-soort was tot de 20e eeuw behoorlijk grof, en toch is Laplace erin geslaagd dit te doen”, zei David Randall, een atmosferische wetenschapper aan de Colorado State University. “Ik vind het verbazingwekkend.”

Laplace’s ideeën lanceerden een eeuwenlange zoektocht om dergelijke golven te vinden. Maar de trillingen bleken even zacht als ze gigantisch te zijn, en weigerden koppig om zichzelf te openbaren, zelfs aan enkele van de grootste namen in de natuurwetenschappen.

Eindelijk is de zoektocht voorbij. Een voortreffelijke nieuwe meteorologische dataset heeft blootgelegd wat miljoenen barometermetingen hebben gemist: een ensemble van golven die rond de aarde racen en deze bedekken in een lappendeken van hoge- en lagedrukzones. De detectie is een verbluffende rechtvaardiging van een vintage theorie.

“Dit is echt een prachtig stuk werk”, zei Leo Donner, een geofysicus aan de Princeton University die niet bij het onderzoek betrokken was.

De pianosnaren van de planeet

Laplace vroeg zich af in hoeverre de maan door zwaartekracht de lucht rondom onze planeet samenperst, en hij ging op zoek naar de soorten golven die als gevolg daarvan zouden kunnen ontstaan. Hij stelde zich de atmosfeer voor als een dunne vloeistof op een gladde bol, en hij concludeerde dat de zwaartekracht één klasse golven op de grond zou moeten vastpinnen, waar ze min of meer horizontaal zouden bewegen – tweedimensionale golvingen die het oppervlak van de planeet omsluiten. “Hij was echt de eerste man met deze foto in zijn hoofd”, zegt Kevin Hamilton, emeritus hoogleraar aan de University of Hawai’i, Mānoa en co-auteur van het nieuwe onderzoek. “Het was een geweldig inzicht.”

Laplace noemde deze golven niet en werkte hun gedrag niet in detail uit, maar moderne atmosferische wetenschappers beschrijven ze nu als ‘normale modi’ – golven die resoneren als het luiden van een bel. De eenvoudigste modus verhoogt de druk in het ene halfrond en verlaagt deze in het andere. Meer energieke modi creëren geruite patronen van kleinere zones met hoge en lage druk. Ze racen de wereld rond met snelheden die hoger zijn dan die van de meeste passagiersvliegtuigen, voornamelijk oostwaarts en westwaarts.

Hoge druk (rood) en lage druk (blauw) golven reizen rond de aarde. Deze vier bollen vertegenwoordigen vier verschillende modi van de drukgolven.
T. Sakazaki en K. Hamilton, doi: 10.1175 / JAS-D-20-0053.1

Zie de animatie:

de animatie op Quanta Magazine

Hoewel Laplace begon met te denken aan de invloed van de maan, komen de golven meer voort uit het algemene pandemonium van de aarde: stormen woeden. Winden slaan tegen bergketens. Turbulentie roert de pot verder. Een deel van de energie van dit collectieve misbruik vuurt de normale modi aan, de enige tonen waarop de atmosfeer kan reageren. “Het is als een kitten dat op de toetsen van de piano loopt,” zei Randall. “De willekeurige forcering kan je laten zien welke snaren er in de piano zitten.”

Laplace zette het idee in het hoofd van mensen dat dergelijke golven zouden kunnen bestaan, en zijn wiskunde gaf natuurkundigen de middelen om de afstemming van de atmosfeer te berekenen. Maar zou iemand zijn aantekeningen kunnen horen?

Rond dezelfde tijd dat Laplace met zijn model uitkwam, merkten ontdekkingsreizigers en natuuronderzoekers, waaronder Alexander von Humboldt, dat de druk in de tropen elke 12 uur toenam en daalde. De dagelijkse timing koppelde de veranderingen aan verwarming door de zon, maar theoretici konden niet verklaren waarom het effect zo groot was. Het mysterie bleef wetenschappers bijna een eeuw lang in verwarring brengen, totdat Lord Kelvin in 1882 vermoedde dat de verwarmingscyclus van de zon resoneerde met een van Laplace’s ‘vrije trillingen’. Hij dacht dat de zon een buitenmaatse duw kon geven omdat het trillingen veroorzaakte bij

precies de frequentie van een van Laplace’s oscillaties, net zoals een operazanger een wijnglas met de juiste toonhoogte kan versplinteren. Zijn stelling bleek niet te kloppen – onderzoekers in de jaren zestig stelden vast dat een ingewikkelder fenomeen de invloed van de zon versterkt – maar het spoorde wetenschappers aan om de kwantitatieve details van Laplace’s theorie uit te werken en precies te berekenen welke frequenties de normale modi zouden moeten hebben.

De laagste noten die met die voorspellingen overeenkwamen, zouden pas in de jaren tachtig in het wetenschappelijke record terechtkomen, eerst door een analyse door Taroh Matsuno, een Japanse meteoroloog, en later door een andere door Hamilton en Rolando Garcia, nu bij het National Center for Atmospheric Research. Hamilton en Garcia stuitten op de ideale dataset: een weerstation in het koloniale Indonesië dat gedurende bijna een eeuw drukmetingen per uur uitvoerde, waarbij in 79 jaar slechts twee metingen werden gemist.

Het record was even nauwgezet als verlengd, waarbij onderzoekers vertrouwden op een microscoop om verschuivingen van kwik tot wel een honderdste van een inch te registreren. Bij het analyseren van deze en andere datasets konden Hamilton en Garcia net de sporen onderscheiden van een van de langste normale modi.

De kortere golven leken onbereikbaar tot vorig jaar, toen het European Center for Medium-Range Weather Forecasts een dataset publiceerde met de naam ERA5. Het product combineert metingen van duizenden grondstations, weerballonnen en satellieten en maakt gebruik van weermodellen om de lege plekken op intelligente wijze in te vullen. Het resultaat is een dataset die tot doel heeft dezelfde informatie te reconstrueren die zou zijn vastgelegd door een wereldwijd netwerk van weerstations die elke 10 kilometer uit elkaar staan ​​en van 1979 tot 2016 elk uur metingen uitvoeren.

Takatoshi Sakazaki, een assistent-professor aan de Universiteit van Kyoto in Japan, was niet op zoek naar de golven van Laplace toen ERA5 uitkwam. Aanvankelijk was hij gefocust op temperatuurschommelingen en hij beschouwde de drukpieken als ongewenst geluid. Maar toen hij besefte dat het misschien normale modi waren, legde hij ze uit over de theoretische verwachtingen, en voila: “Ik vond dat ze bijna perfect overeenkwamen,” zei hij.

Sakazaki wist niet zeker hoe belangrijk zijn vondst was, dus nam hij contact op met Hamilton, die zijn postdoctorale onderzoeksadviseur was geweest, om te kijken of de pieken interessant zouden kunnen zijn.

Ze waren. Hamilton had decennia vóór 1980 de gegevens van het weerstation doorzocht op hints van de laagste atmosferische tonen. Nu had hij in zijn inbox plotseling het bewijs van de volledige symfonie.

Sakazaki en Hamilton werkten samen om de volledige driedimensionale structuur van de golven in ondragelijk detail te analyseren; zij publiceerden hun bevindingen in het juli-nummer van de Journal of the Atmospheric Sciences. Hun onderzoek beschrijft het gedrag van vele tientallen golven buiten de weinige die in de jaren tachtig zijn gevonden. Sommige van de hoogste-energiegolven wisselen van hoge druk naar lage druk een dozijn keer terwijl ze zich rond de planeet uitstrekken; extra sets golven worden afgevuurd door de rotatie van de aarde. Al hun resultaten komen exact overeen met voorspellingen op basis van de vergelijkingen van Laplace. “Ik stelde me gewoon voor dat toen ik dit zag,” zei Hamilton, “dat Laplace en Kelvin en die jongens enthousiast zouden zijn om zoiets te zien.”

Gerelateerd:

  1. A World Without Clouds
  2. Mathematicians Prove Universal Law of Turbulence
  3. The Scientist Who Cooks Up the Skies of Faraway Worlds
Charlie Wood de auteur van dit artikel

Een artikel op: Quantamagazine Magazine

Geef een reactie