Global Wave Discovery termina la ricerca di 220 anni
L'atmosfera è un tale caos che sfida l'analisi anche dagli algoritmi meteorologici più sofisticati di oggi. Ma la sua complessità non ha impedito allo scienziato francese Pierre-Simon Laplace di decifrare un semplice aspetto del comportamento atmosferico alla fine del 1700. Nonostante non abbia mai visto una mappa meteorologica globale, Laplace ha sviluppato una teoria in base alla quale le onde di pressione delle dimensioni di un continente avrebbero periodicamente spazzato il globo.
"La modellazione atmosferica del tipo matita e carta è stata dannatamente rozza fino al 20 ° secolo, eppure Laplace è riuscito a farlo", ha detto David Randall , uno scienziato atmosferico presso la Colorado State University. "Penso che sia sbalorditivo."
Le idee di Laplace hanno lanciato una ricerca secolare per trovare tali onde. Ma le oscillazioni si sono dimostrate tanto delicate quanto gigantesche, rifiutandosi ostinatamente di rivelarsi anche ad alcuni dei più grandi nomi delle scienze fisiche.
Finalmente la ricerca è finita. Un nuovo squisito set di dati meteorologici ha scoperto ciò che milioni di letture del barometro hanno mancato: un insieme di onde che corrono intorno alla Terra, coprendola in una trapunta patchwork di zone di alta e bassa pressione. La scoperta è una straordinaria conferma di una teoria vintage.
"Questo è davvero un bellissimo lavoro", ha detto Leo Donner , un geofisico presso la Princeton University che non è stato coinvolto nello studio.
Le corde del pianoforte del pianeta
Laplace si è chiesto fino a che punto la luna schiaccia gravitazionalmente l'aria che circonda il nostro pianeta e ha deciso di analizzare i tipi di onde che potrebbero emergere di conseguenza. Ha immaginato l'atmosfera come un fluido sottile su una sfera liscia e ha concluso che la gravità dovrebbe inchiodare una classe di onde al suolo, dove si muoverebbero più o meno orizzontalmente – ondulazioni bidimensionali che abbracciano la superficie del pianeta. "È stato davvero il primo ragazzo con questa immagine in mente", ha detto Kevin Hamilton , professore emerito presso l'Università delle Hawaii, Mānoa e coautore della nuova ricerca. "È stata una visione straordinaria."
Laplace non ha nominato queste onde né elaborato il loro comportamento in dettaglio, ma i moderni scienziati atmosferici ora le descrivono come "modalità normali" – onde che risuonano come il suono di una campana. La modalità più semplice aumenta la pressione in un emisfero e la abbassa nell'altro. Le modalità più energiche creano motivi a scacchi di zone più piccole di alta e bassa pressione. Corrono in tutto il mondo a velocità superiori a quelle della maggior parte degli aerei passeggeri, principalmente verso est e verso ovest.
Sebbene Laplace abbia iniziato pensando all'influenza della luna, le onde derivano maggiormente dal pandemonio generale della Terra: le tempeste infuriano. I venti sbattono sulle catene montuose. La turbolenza agita ulteriormente la pentola. Una parte dell'energia derivante da questi abusi collettivi accende i modi normali, che sono gli unici toni a cui l'atmosfera può rispondere. "È come un gattino che cammina sui tasti del pianoforte", ha detto Randall. "La forzatura casuale può mostrarti quali sono le corde del pianoforte."
Laplace ha messo nelle teste delle persone l'idea che tali onde potessero esistere, e la sua matematica ha fornito ai fisici gli strumenti per calcolare la sintonizzazione dell'atmosfera. Ma qualcuno sarebbe in grado di ascoltarne le note?
Più o meno nello stesso periodo in cui Laplace uscì con il suo modello, esploratori e naturalisti tra cui Alexander von Humboldt notarono che la pressione ai tropici aumentava e diminuiva ogni 12 ore. I tempi quotidiani collegavano i cambiamenti al riscaldamento del sole, ma i teorici non potevano spiegare perché l'effetto fosse così grande. Il mistero ha continuato a sconcertare gli scienziati per quasi un secolo, fino a quando Lord Kelvin ha intuito nel 1882 che il ciclo di riscaldamento del sole risuonava con una delle "oscillazioni libere" di Laplace. Pensava che il sole potesse fornire una spinta fuori misura perché creava vibrazioni esattamente alla frequenza di una delle oscillazioni di Laplace, proprio come un cantante d'opera può rompere un bicchiere di vino con la giusta intonazione. La sua proposta si è rivelata sbagliata – i ricercatori negli anni '60 hanno stabilito che un fenomeno più complicato amplifica l'influenza solare – ma ha spinto gli scienziati a elaborare i dettagli quantitativi della teoria di Laplace e calcolare esattamente quali frequenze dovrebbero avere i modi normali.
Le note più basse corrispondenti a quelle previsioni non sarebbero entrate nel record scientifico fino agli anni '80, prima da un'analisi di Taroh Matsuno , un meteorologo giapponese, e successivamente da un'altra di Hamilton e Rolando Garcia, ora al National Center for Atmospheric Research. Hamilton e Garcia si sono imbattuti nel set di dati ideale: una stazione meteorologica nell'Indonesia coloniale che ha effettuato misurazioni della pressione oraria per la parte migliore di un secolo, mancando solo due letture in 79 anni.
Il record è stato meticoloso quanto prolungato, con i ricercatori che si affidavano a un microscopio per registrare spostamenti di mercurio fino a un centesimo di pollice. Analizzando questo e altri set di dati, Hamilton e Garcia sono stati in grado di distinguere solo le tracce di una delle modalità normali più lunghe.
Le onde più corte sembravano fuori portata fino allo scorso anno, quando il Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine ha pubblicato un set di dati chiamato ERA5. Il prodotto combina le letture di migliaia di stazioni di terra, palloni meteorologici e satelliti e utilizza modelli meteorologici per riempire in modo intelligente gli spazi vuoti. Il risultato è un set di dati che mira a ricostruire le stesse informazioni che sarebbero state catturate da una rete globale di stazioni meteorologiche distanziate ogni 10 chilometri e rilevate ogni ora dal 1979 al 2016.
Takatoshi Sakazaki , assistente professore all'Università di Kyoto in Giappone, non stava cercando le onde di Laplace quando è uscito ERA5. Inizialmente era concentrato sulle variazioni di temperatura e considerava i picchi di pressione un rumore sgradito. Ma quando si rese conto che potevano essere modi normali, li mise al di sopra delle aspettative teoriche, e voilà: "Ho trovato che corrispondevano quasi perfettamente", ha detto.
Sakazaki non era sicuro di quanto fosse significativa la sua scoperta, quindi ha contattato Hamilton, che era stato il suo consulente per la ricerca post-dottorato, per verificare se i picchi potessero essere di interesse.
Li avevamo. Hamilton aveva passato decenni prima del 1980 a setacciare i dati delle stazioni meteorologiche alla ricerca di indizi sui toni atmosferici più bassi. Ora nella sua casella di posta aveva improvvisamente la prova della sinfonia completa.
Sakazaki e Hamilton hanno lavorato insieme per analizzare l'intera struttura tridimensionale delle onde con dettagli atroci; hanno pubblicato i loro risultati nel numero di luglio del Journal of the Atmospheric Sciences . La loro ricerca descrive in dettaglio il comportamento di molte dozzine di onde oltre le poche trovate negli anni '80. Alcune delle onde a più alta energia passano da alta pressione a bassa pressione una dozzina di volte mentre si estendono intorno al pianeta; ulteriori serie di onde vengono provocate dalla rotazione terrestre. Tutti i loro risultati corrispondono esattamente alle previsioni basate sulle equazioni di Laplace. "Ho solo immaginato quando l'ho visto", ha detto Hamilton, "che Laplace, Kelvin e quei ragazzi sarebbero stati entusiasti di vedere qualcosa di simile".
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/weather-data-reveals-long-predicted-pressure-waves-20200813/ in data Thu, 13 Aug 2020 15:15:10 +0000.