Nach 220 Jahren der Suche haben Wissenschaftler endlich die globalen Laplace-Wellen gefunden

Bereits im 18. Jahrhundert sagte der große französische Physiker die Existenz einer "Symphonie" atmosphärischer Wellen voraus, die den gesamten Planeten bedeckte. Und jetzt, 220 Jahre später, gelang es den Wissenschaftlern endlich, es zu hören.





Die Dynamik der Atmosphäre unseres Planeten ist so komplex, dass selbst moderne meteorologische Algorithmen sie nicht immer herausfinden und korrekte Vorhersagen treffen können.



Dies erschreckte den französischen Wissenschaftler Pierre-Simon, den Marquis de Laplace , der im 18. Jahrhundert ein einfaches, aber wichtiges Merkmal des Verhaltens der Erdatmosphäre vorhersagen konnte, nicht. Obwohl Laplace in seinem Leben noch nie eine globale Wetterkarte gesehen hatte, entwickelte er eine Theorie, die vorhersagte, dass Wellen mit Druckabfällen ständig über unseren Planeten rauschen.



„Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts wurde die Atmosphäre mit Bleistift auf Papier modelliert und war ziemlich grob, aber Laplace war erfolgreich“, sagt David Randall), ein Wissenschaftler für Atmosphärenwissenschaften an der Colorado State University. - Das ist unglaublich."



Laplace's Ideen lösten eine jahrhundertelange Jagd nach diesen Wellen aus. Die Schwingungen erwiesen sich jedoch nicht nur als riesig, sondern auch als sehr schwach. Selbst die besten Physiker haben sie nicht entdeckt.



Und jetzt ist diese Suche zu Ende. In einem neuen Satz meteorologischer Daten haben moderne Wissenschaftler herausgefunden, was Millionen von Barometern übersehen haben: eine „Symphonie“ von Wellen, die die gesamte Erde in eine Patchworkdecke aus schwachen und starken Druckzonen einhüllt.



Hier ist eine hervorragende Bestätigung der alten Theorie. Aber reden wir über alles in Ordnung.

Saiten des Planeten

Laplace in der Uniform des Kanzlers des Senats. Fragment eines Porträts von Jean-Baptiste Guerin, 1838



Alles begann damit, dass Laplace sich für den Einfluss der Schwerkraft des Mondes auf die Erdatmosphäre interessierte. Er beschloss zu analysieren, welche Arten von Wellen als Ergebnis dieser Interaktion erzeugt werden.



Laplace stellte sich die Atmosphäre als dünne Flüssigkeitsschicht auf einer glatten Kugel vor. Er kam zu dem Schluss, dass die Schwerkraft die Wellen auf den Boden drücken sollte, wo sie sich mehr oder weniger in einer horizontalen Ebene bewegen - wie zweidimensionale (Oberflächen-) Wellen.



"Er war der erste, der diese Illustration erfand - Kevin Hamilton erklärt ( von Kevin Hamilton ), emeritierter Professor der Universität von Hawaii in Manoa, Mitautor der neuen Studie. "Das war eine großartige Vermutung."



Laplace gab diesen Wellen keinen besonderen Namen und arbeitete ihre Bewegung nicht detaillierter aus, aber moderne Wissenschaftler auf dem Gebiet der Atmosphärenwissenschaften nennen sie "normale Schwingungen" (oder Modi, normale Modi).



Der einfachste Mod erhöht den Druck auf einer Hemisphäre und senkt ihn auf der anderen. Energetischere Mods erzeugen ein Schachbrettmuster aus kleinen Bereichen mit niedrigem und hohem Druck.



Sie bewegen sich schneller um den Planeten - normalerweise von West nach Ost oder von Ost nach West - als die meisten Passagierflugzeuge.





(T. Sakazaki und K. Hamilton, doi: 10.1175 / JAS-D-20–0053.1) - Hochdruckbereiche sind rot, Niederdruckbereiche sind blau. Die vier Grafiken veranschaulichen vier verschiedene Wellenmodi.



Obwohl Laplace seine Überlegungen vom Mond aus begann, treten diese Druckwellen tatsächlich aufgrund von Stürmen, Gewittern und Stürmen der Erde selbst auf.



Der Wind weht über Gebirgszüge, die Turbulenzen nehmen zu und ein Teil dieser Energie wird für die Versorgung mit normalen Schwingungen aufgewendet. "Es ist wie ein Kätzchen, das die Klaviertasten spielt", erklärt Randall. "Durch versehentliches Drücken können Sie erkennen, welche Saiten dieses Klavier hat."



Also schlug Laplace die Idee der Existenz solcher Wellen vor. Mathematiker gaben den Physikern alle notwendigen Werkzeuge, um die „Saiten“ der Atmosphäre zu berechnen. Aber hat jemand diese „Notizen“ gehört?

Suche nach Sound

Etwa zur gleichen Zeit, als Laplace über sein Modell nachdachte, stellten Forscher und Naturforscher - darunter der deutsche Geograf Alexander von Humboldt - fest, dass der atmosphärische Druck in den Tropen alle 12 Stunden steigt und fällt.



Diese Tropfen fielen mit den Wärmetropfen der Sonne zusammen, aber Theoretiker konnten nicht erklären, warum der Effekt so stark ist.



Wissenschaftler versuchten fast ein Jahrhundert lang, dieses Rätsel zu lösen, bis der britische Physiker Thomson William (Lord Kelvin) 1882 bemerkte, dass diese Erwärmung mit einer der „freien Schwingungen“ von Laplace kombiniert wurde.





Porträt von William Thomson, Baron Kelvin, Smithsonian Libraries - Lord Kelvin



Lord Kelvin schlug vor, dass es die Sonne war, die den Wellen Impulse gab, weil ihre Frequenz mit der Frequenz einer von Laplace-Schwingungen zusammenfiel. Seine Annahme stellte sich als falsch heraus - in den 1960er Jahren stellten Wissenschaftler fest, dass der Einfluss der Sonne ein weiteres, komplexeres Phänomen verstärkte -, aber Lord Kelvins Idee veranlasste die Wissenschaftler zu einer gründlicheren Analyse der mathematischen Komponente von Laplace.



Als Ergebnis fanden sie heraus, welche Frequenz diese normalen Schwingungen haben sollten.

Ein unerwarteter Fund

Die niedrigsten "Noten", die den Vorhersagen entsprechen, wurden erst in den 1980er Jahren von Wissenschaftlern gefunden. Sie erschienen zuerst in der Arbeit des japanischen Meteorologen Taroh Matsuno ( DOI: 10.2151 / jmsj1965.58.4_281 ) und wenig später in der Arbeit von Kevin Hamilton und Rolando Garcia ( DOI: 10.1029 / JD091iD11p11867 ).



Die Arbeit von Hamilton und Garcia entstand aus einem Zufallsfund - dem perfekten Datensatz einer Wetterstation im kolonialen Indonesien, die 79 Jahre lang stündlich den Luftdruck aufzeichnete und nur ein paar Werte verfehlte.



Das Messtagebuch erwies sich nicht nur als langwierig, sondern auch als unglaublich genau - die Forscher maßen die Länge der Quecksilbersäule durch ein Mikroskop mit einer Genauigkeit von zwei Hundertstel Millimetern.



Durch den Vergleich dieser Messungen mit anderen Datensätzen konnten Hamilton und Garcia Spuren eines der längsten Normalmodi erkennen.

Neue Datenbank

Kürzere Wellen gaben jedoch erst im letzten Jahr nach, als das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage die ERA5-Datenbank veröffentlichte. Die Datenbank enthält Daten von Tausenden von Bodenstationen, Wetterballons und Satelliten. Die „Lücken“ wurden mit leistungsstarken Computermodellen gefüllt.



Infolgedessen spiegelt diese Datenbank Informationen wider, die von einem globalen Netzwerk von Wetterstationen alle 10 Kilometer gesammelt werden könnten, die von 1979 bis 2016 stündlich abgelesen werden.





Wetterballonstart. - ABC Rural: Caddy Brain



bei Takatoshi Sakazaki), ein Assistenzprofessor der japanischen Universität von Kyoto, verpflichtete sich, die Basis zu studieren, er suchte darin überhaupt keine Laplace-Wellen, sondern Temperaturabfälle. Die Druckabfälle waren für ihn nur ein Geräusch, das beseitigt werden musste.



Aber bald wurde ihm klar, dass dies die gleichen normalen Schwankungen sein könnten. Als Sakazaki die Daten mit theoretischen Vorhersagen verglich, stimmten sie fast perfekt überein.



Er war sich der Bedeutung des Fundes nicht ganz sicher und meldete sich bei Hamilton ab, der damals sein wissenschaftlicher Berater war.



Bevor Hamilton seine Arbeiten in den 1980er Jahren veröffentlichte, suchte er mehrere Jahrzehnte lang in Wetterstationsdaten nach den niedrigsten atmosphärischen "Noten". Und dann fiel ein Brief in seinen Briefkasten mit dem Beweis der Existenz einer vollständigen "Symphonie".



Sakazaki und Hamilton haben zusammengearbeitet, um die dreidimensionale Struktur dieser Wellen zu analysieren, und ihre Ergebnisse in der Juli-Ausgabe des Journal of the Atmospheric Sciences veröffentlicht. ( DOI: 10.1175 / JAS-D-20-0053.1 )

Die Arbeit beschreibt das Verhalten von Dutzenden von Wellen so genau wie möglich, zusätzlich zu denen, die in den 1980er Jahren gefunden wurden. Es stellte sich heraus, dass einige der energischsten ihren Druck 12 Mal in einem Durchgang über den Planeten von hoch auf niedrig ändern.



Alle Ergebnisse stimmten mit Vorhersagen überein, die aus Laplace-Gleichungen abgeleitet wurden.

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