[Перевод] После 220 лет поисков ученые наконец-то нашли глобальные волны Лапласа
Еще в XVIII веке великий французский физик предсказал существование «симфонии» из атмосферных волн, охватывающей всю планету. И вот, 220 лет спустя, ученые наконец-то сумели ее услышать.
Динамика атмосферы нашей планеты настолько сложна, что даже современные метеорологические алгоритмы не всегда могут ее разгадать и дать верные предсказания.
Но это не испугало французского ученого Пьер-Симона маркиза де Лапласа, который в 18 веке сумел предсказать одну простую, но важную особенность поведения атмосферы Земли. Пусть Лаплас ни разу за свою жизнь не видел глобальной карты погоды, он разработал теорию, которая предсказывала, что по нашей планете постоянно несутся волны с перепадами давления.
«До конца 20 го века моделирование атмосферы проводилось карандашом на бумаге и было довольно грубым, но Лапласу это удалось, — рассказывает Дэвид Рэндалл (David Randall), ученый-специалист в области наук об атмосфере из Университета штата Колорадо. — Это невероятно.»
Идеи Лапласа спровоцировали вековую охоту на эти волны. Но осцилляции оказались не только огромными, но и очень слабыми. Даже лучшим физикам не удавалось их обнаружить.
И вот этот квест подошел к концу. В новом наборе метеорологических данных современные ученые обнаружили то, что не заметили миллионы барометров: «симфонию» из волн, которые окутывают всю Землю лоскутным одеялом из зон со слабым и сильным давлением.
Вот такое вот прекрасное подтверждение старой теории. Но давайте обо все по порядку.
Струны планеты
Лаплас в мундире канцлера Сената. Фрагмент портрет кисти Жана-Батиста Герена, 1838
Всё началось с того, что Лаплас заинтересовался влиянием притяжения Луны на атмосферу Земли. Он решил проанализировать, какие типы волн рождаются в результате этого взаимодействия.
Лаплас представлял атмосферу в виде тонкого слоя жидкости на гладкой сфере. Он пришел к выводу, что гравитация должна придавливать волны к земле, где они будут двигаться более-менее в горизонтальной плоскости — как двумерные (поверхностные) волны.
«Он был первым, кому пришла в голову такая иллюстрация, — объясняет Кевин Гамильтон (Kevin Hamilton), почетный профессор Гавайского университета в Маноа, соавтор нового исследования. — Это было потрясающей догадкой.»
Лаплас не дал этим волнам особого названия и не проработал их движение более подробно, но современные ученые-специалисты в области наук об атмосфере называют их «нормальными колебаниями» (или модами, normal modes).
Самый простой мод поднимает давление в одном полушарии и понижает его в другом. Более энергичные моды создают шахматный паттерн из мелких зон с низким и высоким давлением.
Они движутся вокруг планеты — обычно с запада на восток или с востока на запад — по скорости обгоняя большинство пассажирских самолетов.
(T. Sakazaki and K. Hamilton, doi:10.1175/JAS-D-20–0053.1) — Красным окрашены зоны высокого давления, голубым — зоны низкого. Четыре графика иллюстрируют четыре разных мода волн.
Хотя Лаплас и начинал свои рассуждения с Луны, на самом деле эти волны давления появляются из-за бурь, гроз и штормов самой Земли.
Ветер налетает на горные гряды, турбуленция возрастает, и часть этой энергии уходит на подпитку нормальных колебаний. «Словно котенок ходит по клавишам пианино, — объясняет Рэндалл. — По его случайным нажатиям вы можете понять, какие струны есть у этого пианино.»
Итак, Лаплас предложил идею существования подобных волн, математики дали физикам все необходимые инструменты для вычисления «струн» атмосферы. Но услышал ли кто-либо эти «ноты»?
Поиск звучания
Примерно в то же время, когда Лаплас продумывал свою модель, исследователи и натуралисты — среди которых был и немецкий географ Александр фон Гумбольдт — заметили, что в тропиках атмосферное давление возрастает и падает каждые 12 часов.
Эти перепады совпадали с перепадами тепла от Солнца, но теоретикам не удавалось объяснить, почему эффект настолько сильный.
Ученые пытались разгадать эту тайну на протяжении почти что целого века, пока в 1882 году британский физик Томсон Уильям (лорд Кельвин) не заметил, что этот нагрев сочетается с одним из «свободных колебаний» Лапласа.
Portrait of William Thomson, Baron Kelvin, Smithsonian Libraries — Лорд Кельвин
Лорд Кельвин предположил, что именно Солнце дает толчок волнам, потому что их частота совпадала с частотой одной из осцилляций Лапласа. Его предположение оказалось неверным — в 1960-х ученые определили, что влияние солнца усиливает другой, более сложный феномен —, но идея лорда Кельвина подтолкнула ученых к более тщательному анализу математической составляющей теории Лапласа.
В итоге они вычислили, какую частоту должны иметь эти нормальные колебания.
Неожиданная находка
Самые низкие «ноты», совпадающие с предсказаниями, ученые нашли лишь в 1980-х годах. Сперва они появились в работе японского метеоролога Таро Мацуно (Taroh Matsuno) (DOI:10.2151/jmsj1965.58.4_281), а чуть позже в работе Кевина Гамильтона и Роландо Гарсии (Rolando Garcia) (DOI:10.1029/JD091iD11p11867).
Работа Гамильтона и Гарсии родилась из случайной находки — идеального набора данных с погодной станции в колониальной Индонезии, где ежечасно записывали атмосферное давление на протяжении 79 лет, пропустив лишь пару значений.
Дневник измерений оказался не только продолжительным, но и невероятно точным — исследователи измеряли длину ртутного столба через микроскоп с точностью до двух сотых миллиметра.
Сопоставив эти измерения с другими наборами данных, Гамильтон и Гарсия сумели засечь следы одного из самых длинных нормальных модов.
Новая база данных
А вот более короткие волны не поддавались до прошлого года, когда Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (European Center for Medium-Range Weather Forecasts) опубликовал базу данных ERA5. В базе содержатся данные от тысяч наземных станций, метеозондов и спутников. «Пробелы» заполнялись с помощью мощных компьютерных моделей.
В результате эта база отражает информацию, которую можно было бы собрать глобальной сетью метеорологических станций, расположенных через каждые 10 километров, которые бы снимали показания каждый час в период с 1979 по 2016 годы.
Запуск метеозонда. — ABC Rural: Caddie Brain
Когда Такатоши Саказаки (Takatoshi Sakazaki), ассистент профессора из японского Университета Киото, взялся изучить базу, он искал в ней вовсе не волны Лапласа, а перепады температуры. Перепады давления были для него лишь шумом, от которого нужно было избавиться.
Но вскоре его осенило, что это могут быть те самые нормальные колебания. Когда Саказаки сопоставил данные с теоретическими предсказаниями, они почти идеально совпали.
Будучи не особо уверенным в важности находки, он отписался Гамильтону, который был тогда его научным руководителем.
До публикации своей работы в 1980-х Гамильтон провел несколько десятилетий, просматривая данные метеостанций в поиске самых низких атмосферных «нот». И тут в его почтовый ящик упало письмо с доказательствами существования полной «симфонии».
Саказаки и Гамильтон вместе провели анализ трехмерной структуры этих волн и опубликовали результаты своего исследования в июльском номере Journal of the Atmospheric Sciences. (DOI:10.1175/JAS-D-20–0053.1)
В работе максимально точно описывается поведение десятков волн, помимо тех, что были найдены в 1980-х. Оказалось, что некоторые из самых энергичных меняют давление с высокого на низкое по 12 раз за один проход по планете.
Все результаты совпали с предсказаниями, выведенными из уравнений Лапласа.
С Вами был телеграм канал Наука от Funscience, спасибо за внимание!
