Ein Muster resonierender Wellen mit Gebieten mit niedrigem (blau) und hohem (rot) Druck, die sich nach Osten bewegen. (Sakazaki & Hamiltons, J. Atmos. Sci., 2020) Genauso wie der Mond Es zerrt an den Meeren unseres Planeten und trägt zu ozeanischen Flutwellen bei. Zusammen mit der Sonne zerrt es auch an unserer Atmosphäre und erzeugt Wellen am Himmel.
Eine neue Studie zeigt nun, wie einige Arten von „Himmelswellen“ um die Erde schwingen, ähnlich wie Schallwellen im Inneren einer Glocke schwingen.
Im Wasser gibt es Wellen entsteht durch Weiterleitung von Energie . Energie bewegt sich durch unseren Himmel – von Dingen wie durch Wärme erzeugter Druck durch die Anziehungskraft von Himmelskörpern erzeugt auch Wellen.
Diese atmosphärischen Wellen schwappen nicht auf die gleiche Weise herum wie Meereswellen, aber sie sind dennoch erkennbar, wenn man weiß, wonach man suchen muss: sich bewegende, tausende Kilometer lange Taschen aus dichter gepackter Luft.
Frühere Studien konzentrierten sich auf lokalisierte Räume und begrenzte Zeitskalen und ermöglichten die Erkennung von Himmelswellen mit einer Breite von 1.000 bis 10.000 km (600 bis 6.000 Meilen). Wellenfrequenz von mehreren Stunden. Doch kürzlich verfügbare Daten haben nun einen viel umfassenderen globalen Blick eröffnet.
Der ERA5-Datensatz , herausgegeben vom Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF), liefert stündliche Schätzungen vieler globaler Klimavariablen in der Atmosphäre, an Land und im Meer innerhalb von fünf Tagen in Echtzeit. Es enthält auch eine Vielzahl neu analysierter historischer Beobachtungen dieser Messungen, wodurch der Datensatz bis zurück ins Jahr 1979 reicht.
Dies ermöglichte es Takatoshi Sakazaki von der Universität Kyoto und dem Atmosphärenforscher Kevin Hamilton von der Universität Hawaii, Luftdruckdaten über 38 Jahre hinweg zu untersuchen, darunter Himmelswellen mit Frequenzen zwischen 2 Stunden und 2 Tagen und Wellenlängen von mehr als 5.000 km (3.000 Meilen).
In diesem Maßstab konnten die Forscher beobachten zuvor entdeckter Mond und solare atmosphärische Wellen, zusammen mit etwas anderem: „zufällig angeregten Resonanzmoden im globalen Maßstab“, zuerst vorhergesagt im 19. Jahrhundert von einem berühmten französischen Physiker Pierre-Simon Laplace .
Wenn sich die Wellen in der richtigen Höhe und Geschwindigkeit durch die Luft bewegen, können sie sich mit der Atmosphäre in Einklang bringen und so etwas erschaffen Resonanz . Dadurch können die Wellen ein Muster bilden, das stabil genug ist, um in der gesamten globalen Atmosphäre zu schwingen, wie Schallwellen, die durch eine Glocke läuten.
Und tatsächlich fanden die Forscher Gruppen dieser resonanten Himmelswellen (Resonanzmoden), die sich über den gesamten Globus erstreckten und zum glockenartigen Klingeln der Atmosphäre beitrugen. Dazu gehören mehrere Resonanzmoden, die tropische Regionen umkreisen.
„Unsere Identifizierung so vieler Moden in realen Daten zeigt, dass die Atmosphäre tatsächlich wie eine Glocke läutet“, sagte Hamilton.
Das Team identifizierte einige der Wellensätze als Rossby winkt angetrieben von Trägheit und andere Kelvinwellen . Einige von ihnen bewegen sich nach Osten, andere nach Westen, und einige überschreiten eine atemberaubende Geschwindigkeit von 1.080 km/h (700 mph).
Das Team stellte außerdem einen kleinen Unterschied zwischen beobachteten und vorhergesagten Frequenzen dieser Resonanzwellen fest, woraus sie schlussfolgerten, dass er durch a verursacht wird Doppler-Verschiebung - wenn sich Wanderwellen in ihrer Ausbreitungsrichtung näher aneinander drängen und dadurch ihre Frequenz erhöhen. Diese bewegt sich hauptsächlich in östlicher Richtung.
Details wie diese können nun in Atmosphärenmodellen berücksichtigt werden, um sie genauer zu machen.
„Für diese sich schnell bewegenden Wellenmoden stimmen unsere beobachteten Frequenzen und globalen Muster sehr gut mit den theoretisch vorhergesagten überein.“ Sakazaki erklärte .
„Es ist aufregend zu sehen, dass die Vision von Laplace und anderen Pionierphysikern nach zwei Jahrhunderten so vollständig bestätigt wurde.“
Die Bestätigung dieser Theorien der atmosphärischen Zirkulation und die anschließende Feinabstimmung werden es Wissenschaftlern ermöglichen, robustere Klima- und Wettervorhersagemodelle zu erstellen.
Aber es gibt noch viel zu tun; Die Forscher planen nun, die Prozesse zu untersuchen, die diese neu bestätigten atmosphärischen Glockenspiele anregen und dämpfen.
Diese Studie wurde im veröffentlicht Zeitschrift für Atmosphärenwissenschaften .