Блог

Jul 18, 2023

Квантовая физика может объяснить погоду Земли

Рассматривая Землю как топологический изолятор — состояние квантовой материи — физики нашли мощное объяснение закручивающим движениям воздуха и морей планеты.

Рассматривая Землю как топологический изолятор — состояние квантовой материи — физики нашли мощное объяснение искривленным движениям воздуха и морей планеты.

Хотя большая часть воздуха и морей нашей планеты колеблется по прихоти бури, некоторые особенности имеют гораздо более регулярный характер. На экваторе среди хаоса сохраняются волны длиной в тысячу километров.

И в океане, и в атмосфере гигантские волны, называемые волнами Кельвина, всегда движутся на восток. И они подпитывают колебательные погодные условия, такие как Эль-Ниньо, периодическое потепление температуры океана, которое повторяется каждые несколько лет.

Геофизики опирались на математическое объяснение экваториальных волн Кельвина с 1960-х годов, но некоторых это объяснение не вполне удовлетворяло. Эти ученые хотели получить более интуитивное, физическое объяснение существования волн; они хотели понять это явление с точки зрения основных принципов и ответить на такие вопросы, как: Что такого особенного в экваторе, что позволяет волне Кельвина циркулировать там? И «почему, черт возьми, он всегда движется на восток?» — сказал Джозеф Бьелло, прикладной математик из Калифорнийского университета в Дэвисе.

В 2017 году трио физиков применили к этой проблеме другой подход. Они начали с представления нашей планеты как квантовой системы, а в итоге установили маловероятную связь между метеорологией и квантовой физикой. Как оказалось, вращение Земли отклоняет поток жидкостей аналогично тому, как магнитные поля искажают пути электронов, движущихся через квантовые материалы, называемые топологическими изоляторами. По их словам, если представить планету как гигантский топологический изолятор, то можно объяснить происхождение экваториальных волн Кельвина.

Но даже при том, что теория работала, она все еще была только теоретической. Никто не подтвердил это непосредственно путем наблюдения. Теперь в новом препринте группа ученых описывает прямое измерение закручивающихся атмосферных волн — именно такие доказательства необходимы для поддержки топологической теории. Эта работа уже помогла ученым использовать язык топологии для описания других систем и может привести к новому пониманию волн и погодных условий на Земле.

«Это прямое подтверждение этих топологических идей, почерпнутых из реальных наблюдений», — сказал Брэд Марстон, физик из Университета Брауна и автор новой статьи. «На самом деле мы живем внутри топологического изолятора».

Джеффри Валлис, прикладной математик из Эксетерского университета в Великобритании, не принимавший участия в работе, сказал, что новый результат является значительным достижением, которое обеспечит «фундаментальное понимание» жидкостных систем Земли.

Есть два способа начать эту историю. Первый посвящен воде, и он начинается с Уильяма Томсона, также известного как лорд Кельвин. В 1879 году он заметил, что приливы в Ла-Манше вдоль французского побережья были сильнее, чем на английской стороне. Томсон понял, что это наблюдение можно объяснить вращением Земли. Когда планета вращается, она генерирует силу, называемую силой Кориолиса, которая заставляет жидкости в каждом полушарии закручиваться в разных направлениях: по часовой стрелке на севере и против часовой стрелки на юге. Это явление толкает воду в Ла-Манше к береговой линии Франции, заставляя волны течь вдоль ее побережья. Эти волны, известные теперь как прибрежные волны Кельвина, с тех пор наблюдаются по всему миру: они текут по часовой стрелке вокруг суши (с береговой линией на правой стороне волны) в северном полушарии и против часовой стрелки в южном полушарии.

Но прошло почти столетие, прежде чем ученые обнаружили гораздо более крупную экваториальную рябь и связали ее с прибрежными волнами Кельвина.

Это произошло в 1966 году, когда Таро Мацуно, метеоролог, математически моделировал поведение жидкостей — как воздуха, так и воды — вблизи экватора Земли. Своими расчетами Мацуно показал, что волны Кельвина должны существовать и на экваторе. В море вместо того, чтобы прижиматься к береговой линии, они сталкивались с водой противоположного полушария, которая вращалась в противоположном направлении. Согласно математике Мацуно, возникающие экваториальные волны должны течь на восток, и они должны быть огромными — длиной в тысячи километров.