Τα κύματα που οδηγούν τα παγκόσμια καιρικά μοτίβα εξηγήθηκαν επιτέλους, χάρη στην έμπνευση από την κβαντική ύλη σε σχήμα κουλούρι

Απέχουν περίπου τόσο πολύ μεταξύ τους όσο μπορεί να είναι δύο πράγματα στην επιστήμη:ένας τύπος κύματος ωκεανού που βοηθά στην κίνηση του κλιματικού κύκλου του Ελ Νίνιο και κβαντικά υλικά που, χάρη σε ένα ιδιαίτερα περίεργο κομμάτι της φυσικής, έχουν μονωτικό εσωτερικό και μεταφέρουν ρεύμα κατά μήκος τους. επιφάνεια. Ωστόσο, σε μια αξιοσημείωτη περίπτωση πλευρικής σκέψης, τα δύο ανόμοια φαινόμενα μπορούν να εξηγηθούν με τα ίδια τοπολογικά μαθηματικά των σχημάτων με τρύπες μέσα τους, αναφέρει μια ομάδα φυσικών.

«Προσπαθώ να υποστηρίξω ότι αυτά τα δύο πεδία είναι πραγματικά πολύ στενά συνδεδεμένα», λέει ο Μπραντ Μάρστον, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Μπράουν που ηγήθηκε της μελέτης. Εκτός από την εξήγηση γιατί τα κύματα των ωκεανών και της ατμόσφαιρας μπορούν να παγιδευτούν στον ισημερινό, η μελέτη προτείνει επίσης ότι η φυσική της συμπυκνωμένης ύλης -η μελέτη υγρών και στερεών, όπως οι ημιαγωγοί που αποτελούν τα τσιπ υπολογιστών- και η επιστήμη της γης θα μπορούσαν να αλληλοεπικονιάσουν άλλους τρόπους, όπως η χρήση τοπολογίας για την εξήγηση των κυμάτων σε άλλους πλανήτες και φεγγάρια ή σε αστροφυσικούς δίσκους αερίου και σκόνης.

Για τη νέα μελέτη, ο Marston συνεργάστηκε με τον φυσικό συμπυκνωμένης ύλης Pierre Delplace και τον γεωφυσικό Antoine Venaille στην Ecole Normale Supérieure de Lyon. Η ομάδα εφάρμοσε τη θεωρία της συμπυκνωμένης ύλης σε δύο τύπους κυμάτων, γνωστά ως κύματα Kelvin και Yanai, που μπορούν να διαδοθούν μέσω των θαλασσών και του αέρα κοντά στον ισημερινό της Γης. Και οι δύο είναι κυματισμοί με μήκη κύματος μήκους εκατοντάδων ή χιλιάδων χιλιομέτρων που μεταφέρουν ενέργεια προς τα ανατολικά κατά μήκος του ισημερινού, συμβάλλοντας στο Ελ Νίνιο, τα συστήματα τροπικών καταιγίδων και άλλα καιρικά μοτίβα. Προκύπτουν από την αλληλεπίδραση δύο φυσικών διεργασιών. Πρώτον, η βαρύτητα ανταγωνίζεται την άνωση, προκαλώντας τη βύθιση του ψυχρότερου αέρα ή του νερού και την άνοδο του θερμότερου αέρα ή του νερού και κάνοντας τις σταγόνες του αέρα ή του θαλασσινού νερού να εκτινάσσονται ανεξάρτητα πάνω-κάτω. Δεύτερον, η περιστροφή της Γης προς τα ανατολικά δημιουργεί το λεγόμενο φαινόμενο Coriolis, το οποίο κάνει τα υγρά που κινούνται πάνω από την επιφάνεια της Γης να στρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις ανάλογα με το ημισφαίριο.

Για να δουν πώς αυτά τα φαινόμενα συνδυάζονται για να οδηγήσουν τα κύματα, ο Marston και οι συνεργάτες του ακολουθούν αρχικά την ίδια μαθηματική προσέγγιση με τον Taroh Matsuno, έναν ατμοσφαιρικό επιστήμονα στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο που προέβλεψε τα παγιδευμένα κύματα του ισημερινού το 1966. Απλοποιούν την κατακόρυφη δομή του ωκεανού ή ατμόσφαιρα και εστίαση σε μια στενή ζώνη γεωγραφικού πλάτους, πάνω από την οποία το φαινόμενο Coriolis παραμένει περίπου σταθερό. Αλλά στη συνέχεια κάνουν αυτό που οι περισσότεροι επιστήμονες της γης θα θεωρούσαν ένα βήμα προς τα πίσω. Λύνουν τις εξισώσεις τους όχι για ισημερινά κύματα, αλλά για μια πιο εύκολα αναλυόμενη κατηγορία κυμάτων που εμφανίζεται σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη.

Αυτό είναι ένα τέχνασμα που κάνουν τακτικά οι φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης. Μεταβαίνουν σε ένα απλούστερο πρόβλημα και στη συνέχεια δείχνουν ότι περιέχει σιωπηρά την απάντηση στο αρχικό παζλ. Ο Marston και οι συνεργάτες του μελετούν τα κύματα όχι σε συνηθισμένο χώρο, αλλά σε έναν αφηρημένο χώρο όλων των πιθανών κυμάτων διαφορετικών μηκών κύματος και των επιδράσεων Coriolis. Οι εξισώσεις για εξαιρετικά μεγάλα κύματα δείχνουν δύο μαθηματικές ιδιομορφίες, όπου το πλάτος του κύματος ποικίλλει πολύ ανάλογα με το μήκος κύματος. Αυτές οι ιδιομορφίες είναι μαθηματικές τρύπες και προκύπτουν επίσης σε τοπολογικούς μονωτές. Ο Marston λέει ότι υπάρχουν δύο από αυτά επειδή η Γη έχει δύο ημισφαίρια, με αντίθετα φαινόμενα Coriolis.

Ως αποτέλεσμα, τα ημισφαίρια συμπεριφέρονται λίγο σαν δύο πλάκες τέτοιου υλικού, βρήκαν οι ερευνητές σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Science . Ακριβώς όπως η συναρμολόγηση δύο ηλεκτρικά μονωτικών υλικών αφήνει το ρεύμα να ρέει κατά μήκος της επιφάνειάς τους, η συναρμολόγηση δύο ημισφαιρίων οδηγεί σε κύματα στη διεπιφάνειά τους - τον ισημερινό - που εξαφανίζονται με την αύξηση του γεωγραφικού πλάτους. Και, όπως στην περίπτωση του υλικού, τα κύματα είναι ισχυρά — ή, όπως λένε οι φυσικοί, «προστατεύονται τοπολογικά» από τις ιδιομορφίες στον αφηρημένο χώρο.

Η τοπολογική προσέγγιση μειώνει το πρόβλημα στα πιο απλά γεγονότα, λέει ο Marston:Η Γη περιστρέφεται και έχει έναν ισημερινό όπου η δύναμη Coriolis αλλάζει κατεύθυνση. Όλες οι λεπτομέρειες της δυναμικής πέφτουν μακριά. «Από τεχνική άποψη, ο υπολογισμός μας είναι πολύ πιο εύκολος από αυτό που έκανε ο Matsuno το 1966», λέει. Κάθε πλανήτης που περιστρέφεται, όσο περίεργο κι αν είναι το σχήμα του, θα είχε αυτά τα κύματα. η ομάδα διαπίστωσε ότι προέκυψαν ακόμη και για έναν υποθετικό πλανήτη σε σχήμα ντόνατ.

Ο Marston και οι συνεργάτες του λένε ότι ελπίζουν να εφαρμόσουν την ίδια ιδέα σε άλλα συστήματα, όπως δίσκους αερίου και σκόνης γύρω από αστέρια και μαύρες τρύπες, καθώς και τις ατμόσφαιρες της Αφροδίτης και του Τιτάνα, που εμφανίζουν επίσης ισημερινά κύματα. Εμπνευσμένη από τη δουλειά τους, η Cristina Marchetti, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο Syracuse στη Νέα Υόρκη, και οι συνάδελφοί της μελέτησαν πρόσφατα πώς τα σμήνη πουλιών και άλλες συλλογικότητες μπορούν να βιώσουν φαινόμενα που μοιάζουν με Coriolis. «Είναι ωραίο που αρχίσαμε να συντονίζουμε τις κεραίες μας προς τον εντοπισμό τοπολογικών φαινομένων και τη μελέτη των συνεπειών τους», λέει ο φυσικός συμπυκνωμένης ύλης Jiannis Pachos στο Πανεπιστήμιο του Λιντς στο Ηνωμένο Βασίλειο. Ωστόσο, αρκετοί γεωφυσικοί λένε ότι βρήκαν το σκεπτικό ανόητο. «Πρέπει να ομολογήσω ότι δεν καταλάβαινα πολλά από αυτό», λέει ο Matthew Wheeler του Αυστραλιανού Γραφείου Μετεωρολογίας στη Μελβούρνη, ο οποίος μελετά τα κύματα Kelvin. Ίσως οι δύο κοινότητες να είναι σαν δύο ημισφαίρια που πρέπει να βρουν κάποιο μέρος για να συναντηθούν στη μέση.