إن ديناميكيات الغلاف الجوي لكوكبنا معقدة للغاية لدرجة أنه حتى خوارزميات الأرصاد الجوية الحديثة لا تستطيع دائمًا اكتشافها وإعطاء تنبؤات صحيحة.
لكن هذا لم يخيف العالم الفرنسي بيير سيمون ، ماركيز دي لابلاس ، الذي كان قادرًا في القرن الثامن عشر على التنبؤ بميزة بسيطة ولكنها مهمة لسلوك الغلاف الجوي للأرض. على الرغم من أن لابلاس لم يسبق له أن رأى خريطة طقس عالمية في حياته ، إلا أنه طور نظرية تنبأت بأن الموجات مع انخفاض الضغط تتدفق باستمرار عبر كوكبنا.
يقول ديفيد راندال: "حتى نهاية القرن العشرين ، كانت نمذجة الغلاف الجوي تتم بالقلم الرصاص على الورق وكانت قاسية جدًا ، لكن لابلاس كان ناجحًا") ، عالم علوم الغلاف الجوي في جامعة ولاية كولورادو. "إنه أمر لا يصدق."
أثارت أفكار لابلاس عملية بحث استمرت قرنًا من الزمان عن هذه الموجات. لكن التذبذبات لم تكن ضخمة فحسب ، بل كانت أيضًا ضعيفة جدًا. حتى أفضل الفيزيائيين فشلوا في اكتشافها.
والآن وصل هذا المسعى إلى نهايته. في مجموعة بيانات الأرصاد الجوية الجديدة ، اكتشف العلماء المعاصرون ما فات ملايين البارومترات: "سيمفونية" من الأمواج التي تغلف الأرض بأكملها في لحاف مرقع من مناطق الضغط الضعيفة والقوية.
هذا تأكيد ممتاز للنظرية القديمة. لكن دعونا نتحدث عن كل شيء بالترتيب.
سلاسل الكوكب
لابلاس بالزي الرسمي لمستشار مجلس الشيوخ. جزء من صورة لجين بابتيست غيران ، 1838
بدأ الأمر كله بحقيقة أن لابلاس أصبح مهتمًا بتأثير جاذبية القمر على الغلاف الجوي للأرض. قرر تحليل أنواع الموجات التي يتم إنشاؤها نتيجة لهذا التفاعل.
تخيل لابلاس الغلاف الجوي على أنه طبقة رقيقة من السائل على كرة ناعمة. لقد توصل إلى استنتاج مفاده أن الجاذبية يجب أن تضغط على الموجات على الأرض ، حيث ستتحرك أكثر أو أقل في مستوى أفقي - مثل الموجات ثنائية الأبعاد (السطحية).
"كان أول من توصل إلى هذا الرسم التوضيحي - يوضح كيفن هاميلتون ( بواسطة كيفن هاميلتون ) ، الأستاذ الفخري بجامعة هاواي في مانوا ، والمؤلف المشارك للدراسة الجديدة. "لقد كان تخمينًا رائعًا".
لم يعط لابلاس اسمًا خاصًا لهذه الموجات ولم يدرس حركتها بمزيد من التفصيل ، لكن العلماء المعاصرين في مجال علوم الغلاف الجوي يسمونها "الاهتزازات العادية" (أو الأنماط ، الأوضاع العادية).
أبسط طريقة ترفع الضغط في أحد نصفي الكرة الأرضية وتخفضه في النصف الآخر. المزيد من التعديلات النشطة تخلق نمط رقعة الشطرنج من مناطق صغيرة ذات ضغط منخفض وعالي.
إنها تتحرك حول الكوكب - عادة من الغرب إلى الشرق أو من الشرق إلى الغرب - أسرع من معظم طائرات الركاب.
(T. Sakazaki and K. Hamilton، doi: 10.1175 / JAS-D-20–0053.1) - مناطق الضغط المرتفع حمراء ومناطق الضغط المنخفض زرقاء. توضح الرسوم البيانية الأربعة أربعة أنماط موجية مختلفة.
على الرغم من أن لابلاس بدأ استدلاله من القمر ، إلا أن موجات الضغط هذه تظهر في الواقع بسبب العواصف والعواصف الرعدية والعواصف على الأرض نفسها.
تهب الرياح على سلاسل الجبال ، ويزداد الاضطراب ، ويتم إنفاق بعض هذه الطاقة على تغذية الاهتزازات الطبيعية. يوضح راندال: "إنه مثل قطة صغيرة تعزف على مفاتيح البيانو". "بالضغط عليه بدون قصد ، يمكنك معرفة الأوتار التي يمتلكها هذا البيانو."
لذلك ، اقترح لابلاس فكرة وجود مثل هذه الموجات ، وأعطى علماء الرياضيات علماء الفيزياء جميع الأدوات اللازمة لحساب "أوتار" الغلاف الجوي. لكن هل سمع أحد هذه "الملاحظات"؟
ابحث عن الصوت
في نفس الوقت تقريبًا الذي كان لابلاس يفكر فيه في نموذجه ، لاحظ الباحثون وعلماء الطبيعة - بما في ذلك الجغرافي الألماني ألكسندر فون همبولت - أنه في المناطق الاستوائية ، يرتفع الضغط الجوي وينخفض كل 12 ساعة.
تزامنت هذه القطرات مع انخفاض الحرارة من الشمس ، لكن العلماء فشلوا في تفسير سبب قوة التأثير.
حاول العلماء كشف هذا اللغز لما يقرب من قرن ، حتى في عام 1882 لاحظ الفيزيائي البريطاني طومسون ويليام (اللورد كلفن) أن هذا التسخين تم دمجه مع أحد "الاهتزازات الحرة" في لابلاس.
صورة ويليام طومسون ، بارون كلفن ، مكتبات سميثسونيان - اللورد كلفن
اقترح اللورد كلفن أن الشمس هي التي أعطت قوة دافعة للأمواج ، لأن ترددها يتزامن مع تردد أحد ذبذبات لابلاس. تبين أن افتراضه خاطئ - في الستينيات ، قرر العلماء أن تأثير الشمس يضخم ظاهرة أخرى أكثر تعقيدًا - لكن فكرة اللورد كلفن دفعت العلماء إلى تحليل أكثر شمولاً للمكون الرياضي لنظرية لابلاس.
نتيجة لذلك ، اكتشفوا التردد الذي يجب أن يكون لهذه الاهتزازات الطبيعية.
اكتشاف غير متوقع
وجد العلماء أقل "ملاحظات" تتطابق مع التوقعات فقط في الثمانينيات. ظهرت لأول مرة في عمل عالم الأرصاد الجوية الياباني تاروه ماتسونو ( DOI: 10.2151 / jmsj1965.58.4_281 ) ، وبعد ذلك بقليل في أعمال كيفن هاميلتون ورولاندو جارسيا ( DOI: 10.1029 / JD091iD11p11867 ).
وُلد عمل هاميلتون وجارسيا من نتيجة اكتشاف بالصدفة - مجموعة بيانات مثالية من محطة أرصاد جوية في إندونيسيا المستعمرة سجلت ضغطًا جويًا كل ساعة لمدة 79 عامًا ، وفقدت بضع قراءات فقط.
تبين أن يوميات القياس ليست طويلة فحسب ، بل كانت دقيقة أيضًا بشكل لا يصدق - قام الباحثون بقياس طول عمود الزئبق من خلال مجهر بدقة تصل إلى مائتي ملليمتر.
من خلال مقارنة هذه القياسات بمجموعات البيانات الأخرى ، تمكن هاميلتون وجارسيا من اكتشاف آثار أحد أطول الأوضاع العادية.
قاعدة بيانات جديدة
ومع ذلك ، لم تسفر الموجات الأقصر حتى العام الماضي ، عندما نشر المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى قاعدة بيانات ERA5. تحتوي قاعدة البيانات على بيانات من آلاف المحطات الأرضية ومنطاد الطقس والأقمار الصناعية. تم ملء "الفجوات" بنماذج حاسوبية قوية.
ونتيجة لذلك ، تعكس قاعدة البيانات هذه المعلومات التي يمكن جمعها من خلال شبكة عالمية من محطات الأرصاد الجوية الواقعة كل 10 كيلومترات والتي من شأنها أن تأخذ قراءات كل ساعة من 1979 إلى 2016.
إطلاق بالون الطقس. - ABC Rural: Caddy Brain
عندما تاكاتوشي ساكازاكي) ، أستاذ مساعد من جامعة كيوتو اليابانية ، قام بدراسة القاعدة ، ولم يكن يبحث فيها على الإطلاق عن موجات لابلاس ، ولكن تنخفض درجة الحرارة. كانت قطرات الضغط مجرد ضوضاء بالنسبة له ، والتي يجب التخلص منها.
لكن سرعان ما اتضح له أن هذه قد تكون نفس التقلبات العادية. عندما طابق ساكازاكي البيانات مع التوقعات النظرية ، كانت مطابقة تمامًا تقريبًا.
لم يكن متأكدًا تمامًا من أهمية الاكتشاف ، فقد ألغى اشتراكه في هاملتون ، الذي كان مستشاره العلمي آنذاك.
قبل نشر عمله في الثمانينيات ، أمضى هاملتون عدة عقود في البحث عن بيانات محطة الأرصاد الجوية بحثًا عن "ملاحظات" أدنى الغلاف الجوي. ثم سقطت رسالة في صندوق بريده مع دليل على وجود "سيمفونية" كاملة.
عمل كل من ساكازاكي وهاملتون معًا لتحليل البنية ثلاثية الأبعاد لهذه الموجات ونشر نتائج بحثهما في عدد يوليو من مجلة علوم الغلاف الجوي. ( DOI: 10.1175 / JAS-D-20-0053.1 )
يصف العمل سلوك عشرات الموجات بأكبر قدر ممكن من الدقة ، بالإضافة إلى تلك الموجودة في الثمانينيات. اتضح أن بعضًا من أكثرها نشاطًا يغير الضغط من مرتفع إلى منخفض 12 مرة في تمريرة واحدة فوق الكوكب.
كانت جميع النتائج متوافقة مع التوقعات المستمدة من معادلات لابلاس.
معكم كانت قناة Telegram Science من Funscience ، شكرًا لكم على اهتمامكم!