یافته‌ای که به یک تحقیق ۲۲۰ ساله پایان داد

منتشرشده در Quanta Magazine به تاریخ ۱۳ آگوست ۲۰۲۰لینک مقاله اصلی: Global Wave Discovery Ends 220-Year Searchیک فیزیکدان قرن ۱۸ برای اولین بار وجود یک دسته از امواج جوی هماهنگ که به دور زمین می‌گردند را پیش‌بینی کرد. دانشمندان در نهایت آن‌ها را پیدا کردند.اتمسفر چنان آشفته کننده است که حتی تحلیل‌هایی توسط پیچیده‌ترین الگوریتم های هواشناسی امروزی را هم نقض می‌کند. اما پیچیدگی آن مانعی بر سر راه دانشمند فرانسوی پیر-سیمون لاپلاس- برای شکستن یک جنبه ساده رفتار جوی در اواخر دهه ۱۷۰۰، نشد.با وجود این که لاپلاس هیچ وقت نقشه آب و هوای جهانی را ندیده بود، نظریه‌ای مطرح کرد که پیش‌بینی می‌کرد امواج فشاری به اندازه یک قاره به صورت دوره‌ای به دور دنیا گردش می‌کنند.دیوید رندال، دانشمند علوم جوی در دانشگاه ایالتی کلرادو گفت: « مدل‌سازی جوی بر روی کاغذ تا قرن بیستم بسیار خام بود اما لاپلاس توانست این کار را انجام دهد. من فکر می‌کنم شگفت‌انگیز است.»ایده‌های لاپلاس پژوهشی برای یافتن چنین امواجی آغاز کردند که قرن‌ها طول کشید. اما این نوسانات به همان اندازه که عظیم بودند،‌ ملایم هم بودند و با سرسختی از آشکار کردن خود، حتی به برخی از بزرگ‌ترین افراد و دانشمندان علوم طبیعی، امتناع می‌ورزید.سرانجام جستجو تمام شد. یک مجموعه داده هواشناسی جدید و دقیق از آنچه که میلیون‌ها فشارسنج ثبت نکردند، پرده برداشته است: مجموعه‌ای از امواجی که به دور زمین می‌چرخند و آن را در یک قالب چهل‌تکه متشکل از مناطق فشار بالا و پایین می پوشانند. تشخیص، یک اثبات گیج‌کننده از تئوری کلاسیک است.لیو دانر، متخصص ژئوفیزیک در دانشگاه پرینستون که در این تحقیق شرکت نداشته می‌گوید: «این شاهکار واقعا زیبا است.»سیم‌های پیانوی سیارهلاپلاس تعجب کرد که ماه از نظر جاذبه تا چه حد هوای اطراف سیاره ما را تحت فشار قرار می‌دهد و شروع به تجزیه و تحلیل انواع امواجی کرد که ممکن است در نتیجه این فشار ظاهر شوند. او جو را به صورت یک سیال نازک در یک کره صاف تصور می‌کرد و به این نتیجه رسید که جاذبه باید یک طبقه از امواج را به زمین میخکوب کند، جایی که آن‌ها کم و بیش امواج افقی دو بعدی، که سطح کره را در آغوش می‌گیرند، را حرکت می‌دهند. کوین همیلتون، استاد بازنشسته دانشگاه هاوایی، ماناوا و یکی از نویسندگان این تحقیق جدید می‌گوید: «او واقعا اولین کسی بود که این تصویر را در ذهن خود داشت. این یک بینش شگفت‌انگیز بود.»لاپلاس نام این امواج را ذکر نکرد و یا رفتار آن‌ها را با جزئیات مشخص نکرد، اما دانشمندان اتمسفر مدرن آن‌ها را به عنوان «حالت‌های نرمال» توصیف می‌کنند؛ امواجی که مانند صدای زنگ طنین‌انداز می‌شوند. ساده‌ترین حالت، فشار را در یک نیم‌کره بالا می‌برد و آن را در نیم‌کره دیگر پایین می‌آورد. حالت‌های پر انرژی‌تر با مناطق کوچک‌تر با فشارهای بالا و پایین، الگوهای شطرنجی ایجاد می‌کنند. آن‌ها با سرعتی بیش از سرعت بیشتر هواپیماهای مسافربری، عمدتا به سمت شرق و غرب، در سراسر جهان مسابقه می‌دهند.اگر چه لاپلاس با فکر کردن به تاثیر ماه شروع کرد، اما امواج بیشتر از جوش و خروش کلی زمین ناشی می‌شوند: طوفان. بادها به رشته‌کوه‌ها برخورد می‌کنند. تلاطم،‌ آن را بیشتر تکان می‌دهد. بخشی از انرژی این سو استفاده‌های تجمعی، حالت‌های عادی، که تنها تن‌های قابل واکنش جو هستند، را به کار می‌اندازد. رندال گفت: «مانند بچه‌گربه‌ای است که روی کلیدهای پیانو راه می‌رود. اجبار تصادفی می‌تواند به شما نشان دهد که چه سیم‌هایی در پیانو وجود دارند.»لاپلاس این ایده را در ذهن مردم گذاشت که چنین امواجی ممکن است وجود داشته باشند و ریاضیات او به فیزیکدانان ابزاری برای محاسبه تنظیم اتمسفر داد. اما آیا کسی می‌تواند صدای نت‌های آن را بشنود؟در همان زمان که لاپلاس مدل خود را ارائه داد، کاشفان و طبیعی‌دانان از جمله الکساندر فون هومبولت متوجه شدند که فشار در مناطق استوایی هر ۱۲ ساعت افزایش و کاهش می‌یابد. زمان‌بندی روزانه این تغییرات را به گرمایش از خورشید مرتبط می‌کرد، اما نظریه پردازان نمی‌توانستند توضیح دهند که چرا این اثر انقدر بزرگ بوده‌است. این راز تا حدود یک قرن همچنان دانشمندان را گیج می‌کرد، تا اینکه لرد کلوین در سال ۱۸۸۲ حدس زد که چرخه گرمایش خورشید با یکی از «نوسانات آزاد» لاپلاس تقویت می‌شود. او فکر کرد که خورشید می‌تواند یک فشار بیش از اندازه ایجاد کند، زیرا دقیقا در فرکانس یکی از نوسانات لاپلاس، لرزش‌هایی ایجاد کرد، همان طور که یک خواننده اپرا می‌تواند با گام درست یک لیوان را بشکند. مشخص شد که پیشنهاد او اشتباه بوده‌است-محققان در دهه ۱۹۶۰ مشخص کردند که یک پدیده پیچیده‌تر تاثیر انرژی خورشیدی را تقویت می‌کند-اما دانشمندان را بر آن داشت تا بر روی جزئیات کمی نظریه لاپلاس کار کرده و دقیقا محاسبه کنند که حالت‌های نرمال باید چه فرکانس‌هایی داشته باشند.پایین‌ترین نت‌هایی که با این پیش‌بینی‌ها مطابقت دارند، تا دهه ۱۹۸۰ وارد این ثبت علمی نشدند؛ ابتدا از تجزیه و تحلیل تارو ماتسونو، هواشناس ژاپنی، و بعد از آن توسط همیلتون و رولاندو گارسیا، که اکنون در مرکز ملی تحقیقات جوی حضور دارند. همیلتون و گارسیا به طور اتفاقی به مجموعه داده‌های ایده‌آل دست یافتند: یک ایستگاه آب و هوایی در اندونزی که اندازه‌گیری‌های ساعتی فشار را در بخش بهتر یک قرن انجام می‌داد، که تنها دو بار در ۷۹ سال کار نکرده بود.این گزارش به همان اندازه که دقیق بود طولانی هم بود و محققان باید برای ثبت حرکاتی به ظرافت یک صدم اینچ در جیوه، از میکروسکوپ استفاده می‌کردند. همیلتون و گارسیا با تجزیه و تحلیل این مجموعه و دیگر مجموعه داده‌ها توانستند فقط یکی از طولانی‌ترین حالت‌های نرمال را ردیابی کنند.تا سال گذشته، زمانی که مرکز اروپایی پیش‌بینی‌های هواشناسی سطح میانی، مجموعه داده‌ای به نام ERA5 را منتشر کرد، امواج کوتاه‌تر به نظر دور از دسترس می‌رسیدند. این محصول ترکیبی از خوانش هزاران ایستگاه زمینی، بالون‌های آب و هوایی و ماهواره است و از مدل‌های آب و هوایی برای پر کردن هوشمندانه جاهای خالی استفاده می‌کند. نتیجه یک مجموعه داده با هدف بازسازی همان اطلاعاتی است که توسط شبکه جهانی ایستگاه‌های آب و هوایی با فاصله هر ۱۰ کیلومتر ثبت شده‌است و خوانش ها را هر ساعت از سال ۱۹۷۹ تا ۲۰۱۶ انجام می‌دهد.تاکاتوشی ساکاداکی، استادیار دانشگاه کیوتو در ژاپن، زمانی که ERA5 بیرون آمد، به دنبال امواج لاپلاس نبود. او در ابتدا بر روی تغییرات دما تمرکز داشت و اوج فشار را به عنوان سر و صدای ناخوشایند در نظر گرفت. اما وقتی متوجه شد که آن‌ها ممکن است حالت‌های عادی باشند، آن‌ها را بر مبنای انتظارات نظری قرار داد و گفت: «من متوجه شدم که آن‌ها تقریبا به طور کامل با هم مطابقت دارند.»ساکازاکی مطمئن نبود که یافته‌اش تا چه حد مهم است، بنابراین به همیلتون، که مشاور تحقیقاتی پست‌دکترای او بود، مراجعه کرد تا بررسی کنند که آیا این اوج‌ها ممکن است جالب باشند یا خیر.همین‌طور هم بود. همیلتون قبل از سال ۱۹۸۰ دهه‌ها را برای بررسی داده‌های ایستگاه آب و هوایی برای اشاره به پایین‌ترین تن جوی، سپری کرده بود. و اینک در صندوق خود ناگهان آثار یک سمفونی کامل را مشاهده کرد.ساکازاکی و همیلتون با هم کار کردند تا ساختار سه‌بعدی کامل امواج را با جزییات مشقت‌بار تحلیل کنند؛ آن‌ها یافته‌های خود را در شماره جولای مجله علوم جوی منتشر کردند. تحقیقات آن‌ها به جزئیات رفتار بسیاری از ده‌ها موجی می‌پردازد که فراتر از تعداد کمی که در دهه ۱۹۸۰ یافت شدند هستند. برخی از موج‌ها با بالاترین انرژی از فشار بالا به فشار پایین ده‌ها بار گردش می‌کنند تا به تمام اطراف سیاره کشیده شوند؛ مجموعه دیگری از امواج که با گردش زمین می‌چرخند. تمام نتایج آن‌ها دقیقا با پیش‌بینی‌های مبتنی بر معادلات لاپلاس مطابقت دارد. همیلتون گفت: «من فقط وقتی این را دیدم تصور کردم که لاپلاس و کلوین و آن افراد از دیدن چنین چیزی هیجان‌زده خواهند شد.»این متن با استفاده از ربات ترجمه مقاله علمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.