Dinamika atmosfer planet kita begitu kompleks sehingga bahkan algoritme meteorologi modern tidak dapat selalu memahaminya dan memberikan prediksi yang benar.
Tetapi hal ini tidak membuat takut ilmuwan Prancis Pierre-Simon, Marquis de Laplace , yang pada abad ke-18 mampu memprediksi satu ciri sederhana namun penting dari perilaku atmosfer bumi. Meskipun Laplace belum pernah melihat peta cuaca global dalam hidupnya, dia mengembangkan teori yang meramalkan bahwa gelombang dengan penurunan tekanan terus mengalir di planet kita.
“Hingga akhir abad ke-20, pemodelan atmosfer dilakukan dengan pensil di atas kertas dan cukup kasar, tetapi Laplace berhasil,” kata David Randall), seorang ilmuwan ilmu atmosfer di Colorado State University. "Itu luar biasa."
Ide Laplace memicu perburuan selama seabad untuk gelombang ini. Tetapi osilasi ternyata tidak hanya besar, tetapi juga sangat lemah. Bahkan fisikawan terbaik pun gagal mendeteksinya.
Dan sekarang pencarian ini telah berakhir. Dalam kumpulan data meteorologi baru, para ilmuwan modern telah menemukan apa yang terlewatkan oleh jutaan barometer: "simfoni" gelombang yang menyelimuti seluruh bumi dalam selimut tambal sulam dari zona tekanan lemah dan kuat.
Ini adalah konfirmasi yang sangat bagus dari teori lama. Tapi mari kita bicarakan semuanya secara berurutan.
String planet
Laplace dalam seragam Kanselir Senat. Fragmen potret oleh Jean-Baptiste Guerin, 1838
Semuanya dimulai dengan fakta bahwa Laplace tertarik pada pengaruh gravitasi bulan di atmosfer bumi. Dia memutuskan untuk menganalisis jenis gelombang apa yang dihasilkan sebagai hasil dari interaksi ini.
Laplace membayangkan atmosfer sebagai lapisan tipis cairan pada bola yang halus. Dia sampai pada kesimpulan bahwa gravitasi harus menekan gelombang ke tanah, di mana mereka akan bergerak lebih atau kurang dalam bidang horizontal - seperti gelombang dua dimensi (permukaan).
"Dia adalah orang pertama yang membuat ilustrasi ini - Kevin Hamilton menjelaskan ( oleh Kevin Hamilton ), Profesor Emeritus dari Universitas Hawaii di Manoa, rekan penulis studi baru ini. "Itu tebakan yang bagus."
Laplace tidak memberi nama khusus pada gelombang ini dan tidak mempelajari pergerakannya secara lebih rinci, tetapi ilmuwan modern di bidang ilmu atmosfer menyebutnya "getaran normal" (atau mode, mode normal).
Mod yang paling sederhana meningkatkan tekanan di satu belahan dan menurunkannya di belahan bumi lainnya. Mod yang lebih energik membuat pola papan catur dari area kecil bertekanan rendah dan tinggi.
Mereka bergerak mengelilingi planet - biasanya dari barat ke timur atau dari timur ke barat - lebih cepat daripada kebanyakan pesawat penumpang.
(T. Sakazaki dan K. Hamilton, doi: 10.1175 / JAS-D-20–0053.1) - Area bertekanan tinggi berwarna merah, area bertekanan rendah berwarna biru. Keempat grafik tersebut menggambarkan empat mode gelombang yang berbeda.
Meskipun Laplace memulai penalarannya dari Bulan, nyatanya gelombang tekanan ini muncul akibat badai, badai petir, dan badai Bumi itu sendiri.
Angin bertiup melewati pegunungan, turbulensi meningkat, dan sebagian dari energi ini dihabiskan untuk memberi makan getaran normal. “Ini seperti anak kucing yang memainkan tuts piano,” jelas Randall. “Dengan menekannya secara tidak sengaja, Anda dapat mengetahui senar apa yang dimiliki piano ini.”
Jadi, Laplace mengajukan gagasan tentang keberadaan gelombang tersebut, para ahli matematika memberi fisikawan semua alat yang diperlukan untuk menghitung "string" atmosfer. Tapi apakah ada yang mendengar “catatan” ini?
Cari suara
Kira-kira pada waktu yang sama Laplace memikirkan modelnya, para peneliti dan naturalis - termasuk ahli geografi Jerman Alexander von Humboldt - memperhatikan bahwa tekanan atmosfer naik dan turun setiap 12 jam di daerah tropis.
Tetesan ini bertepatan dengan tetesan panas dari matahari, tetapi para ahli teori gagal menjelaskan mengapa efeknya begitu kuat.
Ilmuwan mencoba untuk mengungkap misteri ini selama hampir satu abad, sampai pada tahun 1882 fisikawan Inggris Thomson William (Lord Kelvin) memperhatikan bahwa pemanasan ini digabungkan dengan salah satu "getaran bebas" Laplace.
Potret William Thomson, Baron Kelvin, Perpustakaan Smithsonian - Lord Kelvin
Lord Kelvin menyarankan bahwa Matahari yang memberikan dorongan pada gelombang, karena frekuensinya bertepatan dengan frekuensi salah satu osilasi Laplace. Asumsinya ternyata salah - pada 1960-an, para ilmuwan menetapkan bahwa pengaruh matahari memperkuat fenomena lain yang lebih kompleks - tetapi gagasan Lord Kelvin mendorong para ilmuwan untuk menganalisis komponen matematika teori Laplace secara lebih menyeluruh.
Akibatnya, mereka menemukan frekuensi getaran normal ini.
Penemuan tak terduga
"Catatan" terendah yang cocok dengan prediksi ditemukan oleh para ilmuwan hanya pada tahun 1980-an. Mereka pertama kali muncul dalam karya ahli meteorologi Jepang Taroh Matsuno ( DOI: 10.2151 / jmsj1965.58.4_281 ), dan beberapa saat kemudian dalam karya Kevin Hamilton dan Rolando Garcia ( DOI: 10.1029 / JD091iD11p11867 ).
Karya Hamilton dan Garcia lahir dari penemuan tak terduga - kumpulan data sempurna dari stasiun cuaca di Indonesia kolonial yang mencatat tekanan atmosfer setiap jam selama 79 tahun, hanya kehilangan beberapa bacaan.
Buku harian pengukuran ternyata tidak hanya panjang, tetapi juga sangat akurat - para peneliti mengukur panjang kolom merkuri melalui mikroskop dengan akurasi seperseratus milimeter.
Dengan membandingkan pengukuran ini dengan set data lain, Hamilton dan Garcia dapat mendeteksi jejak salah satu mode normal terpanjang.
Database baru
Gelombang yang lebih pendek, bagaimanapun, tidak menghasilkan sampai tahun lalu, ketika Pusat Prakiraan Cuaca Jarak Menengah Eropa menerbitkan database ERA5. Basis data berisi data dari ribuan stasiun bumi, balon cuaca, dan satelit. "Celah" diisi dengan model komputer yang kuat.
Hasilnya, database ini merefleksikan informasi yang dapat dikumpulkan oleh jaringan global stasiun meteorologi yang terletak setiap 10 kilometer yang akan membaca setiap jam dari 1979 hingga 2016.
Peluncuran balon cuaca. - ABC Rural: Caddy Brain
Saat Takatoshi Sakazaki), seorang asisten profesor dari Universitas Jepang Kyoto, melakukan untuk mempelajari pangkalan tersebut, dia tidak mencarinya di semua gelombang Laplace, tetapi suhu turun. Penurunan tekanan hanyalah kebisingan baginya, yang perlu dihilangkan.
Tapi dia segera sadar bahwa ini bisa menjadi fluktuasi normal yang sama. Ketika Sakazaki mencocokkan data dengan prediksi teoretis, mereka hampir cocok dengan sempurna.
Tidak terlalu yakin tentang pentingnya penemuan itu, dia berhenti berlangganan ke Hamilton, yang saat itu adalah penasihat ilmiahnya.
Sebelum mempublikasikan karyanya pada 1980-an, Hamilton menghabiskan beberapa dekade memindai data stasiun cuaca untuk “catatan” atmosfer terendah. Dan kemudian sepucuk surat jatuh ke kotak suratnya dengan bukti adanya "simfoni" yang lengkap.
Sakazaki dan Hamilton telah bekerja sama untuk menganalisis struktur tiga dimensi gelombang ini dan menerbitkan hasil penelitian mereka dalam Journal of Atmospheric Sciences edisi Juli. ( DOI: 10.1175 / JAS-D-20-0053.1 )
Karya tersebut menggambarkan perilaku puluhan gelombang seakurat mungkin, selain yang ditemukan pada 1980-an. Ternyata beberapa yang paling energik mengubah tekanan mereka dari tinggi ke rendah sebanyak 12 kali dalam satu kali lintasan di atas planet ini.
Semua hasil sesuai dengan prediksi yang diturunkan dari persamaan Laplace.
Bersama Anda adalah saluran Telegram Sains dari Funscience , terima kasih atas perhatian Anda!