La dynamique de l'atmosphère de notre planète est si complexe que même les algorithmes météorologiques modernes ne peuvent pas toujours la comprendre et donner des prévisions correctes.
Mais cela n'a pas effrayé le scientifique français Pierre-Simon, le marquis de Laplace , qui au 18ème siècle a pu prédire une caractéristique simple mais importante du comportement de l'atmosphère terrestre. Bien que Laplace n'ait jamais vu de carte météorologique mondiale de sa vie, il a développé une théorie qui prédit que les vagues avec des chutes de pression se précipitent constamment sur notre planète.
«Jusqu'à la fin du 20e siècle, la modélisation de l'atmosphère se faisait au crayon sur papier et était assez grossière, mais Laplace a réussi», explique David Randall), scientifique en sciences atmosphériques à la Colorado State University. "C'est incroyable."
Les idées de Laplace ont déclenché une chasse à ces vagues pendant un siècle. Mais les oscillations se sont avérées non seulement énormes, mais aussi très faibles. Même les meilleurs physiciens n'ont pas réussi à les détecter.
Et maintenant, cette quête est terminée. Dans le nouvel ensemble de données météorologiques, les scientifiques modernes ont découvert ce que des millions de baromètres ont manqué: une «symphonie» d'ondes qui enveloppent la Terre entière dans un patchwork de zones de pression faibles et fortes.
Voici une excellente confirmation de l'ancienne théorie. Mais parlons de tout dans l'ordre.
Cordes de la planète
Laplace dans l'uniforme du chancelier du Sénat. Fragment d'un portrait de Jean-Baptiste Guérin, 1838
Tout a commencé par le fait que Laplace s'est intéressé à l'influence de la gravité de la lune sur l'atmosphère terrestre. Il a décidé d'analyser quels types d'ondes sont générés à la suite de cette interaction.
Laplace a imaginé l'atmosphère comme une fine couche de liquide sur une sphère lisse. Il est arrivé à la conclusion que la gravité devrait pousser les vagues vers le sol, où elles se déplaceront plus ou moins dans un plan horizontal - comme des ondes bidimensionnelles (de surface).
«Il a été le premier à proposer cette illustration - explique Kevin Hamilton ( par Kevin Hamilton ), professeur émérite de l'Université d'Hawaï à Manoa, co-auteur de la nouvelle étude. "C'était une supposition formidable."
Laplace n'a pas donné à ces ondes un nom spécial et n'a pas élaboré leur mouvement plus en détail, mais les scientifiques modernes dans le domaine des sciences atmosphériques les appellent «vibrations normales» (ou modes, modes normaux).
Le mod le plus simple augmente la pression dans un hémisphère et l'abaisse dans l'autre. Des mods plus énergiques créent un motif en damier à partir de petites zones de basse et haute pression.
Ils se déplacent autour de la planète - généralement d'ouest en est ou d'est en ouest - plus rapidement que la plupart des avions de passagers.
(T. Sakazaki et K. Hamilton, doi: 10.1175 / JAS-D-20–0053.1) - Les zones de haute pression sont rouges, les zones de basse pression sont bleues. Les quatre graphiques illustrent quatre modes d'onde différents.
Bien que Laplace ait commencé son raisonnement à partir de la Lune, en fait, ces ondes de pression apparaissent en raison des tempêtes, des orages et des tempêtes de la Terre elle-même.
Le vent souffle sur les chaînes de montagnes, la turbulence augmente et une partie de cette énergie est dépensée pour alimenter les vibrations normales. «C'est comme un chaton jouant les touches du piano», explique Randall. «En appuyant accidentellement dessus, vous pouvez savoir de quelles cordes ce piano a.»
Ainsi, Laplace a proposé l'idée de l'existence de telles ondes, les mathématiciens ont donné aux physiciens tous les outils nécessaires pour calculer les «cordes» de l'atmosphère. Mais est-ce que quelqu'un a entendu ces «notes»?
Recherche de son
À peu près au moment où Laplace pensait à son modèle, des chercheurs et des naturalistes - dont le géographe allemand Alexander von Humboldt - ont remarqué que sous les tropiques, la pression atmosphérique monte et descend toutes les 12 heures.
Ces gouttes ont coïncidé avec les gouttes de chaleur du soleil, mais les théoriciens n'ont pas expliqué pourquoi l'effet est si fort.
Les scientifiques ont tenté de percer ce mystère pendant près d'un siècle, jusqu'à ce qu'en 1882, le physicien britannique Thomson William (Lord Kelvin) remarque que ce chauffage était combiné à l'une des «vibrations libres» de Laplace.
Portrait de William Thomson, Baron Kelvin, bibliothèques Smithsonian - Lord Kelvin
Lord Kelvin a suggéré que c'était le Soleil qui donnait l'impulsion aux ondes, car leur fréquence coïncidait avec la fréquence d'une des oscillations de Laplace. Son hypothèse s'est avérée fausse - dans les années 1960, les scientifiques ont déterminé que l'influence du soleil amplifiait un autre phénomène plus complexe - mais l'idée de Lord Kelvin a poussé les scientifiques à une analyse plus approfondie de la composante mathématique de la théorie de Laplace.
En fin de compte, ils ont compris quelle fréquence ces vibrations normales devraient avoir.
Une découverte inattendue
Les «notes» les plus basses qui correspondent aux prévisions n'ont été trouvées par les scientifiques que dans les années 1980. Ils sont apparus pour la première fois dans les travaux du météorologue japonais Taroh Matsuno ( DOI: 10.2151 / jmsj1965.58.4_281 ), et un peu plus tard dans les travaux de Kevin Hamilton et Rolando Garcia ( DOI: 10.1029 / JD091iD11p11867 ).
Le travail de Hamilton et Garcia est né d'une découverte fortuite - un ensemble de données parfait d'une station météo de l'Indonésie coloniale qui a enregistré la pression atmosphérique toutes les heures pendant 79 ans, ne manquant que quelques lectures.
Le journal des mesures s'est avéré non seulement long, mais aussi incroyablement précis - les chercheurs ont mesuré la longueur de la colonne de mercure au microscope avec une précision de deux centièmes de millimètre.
En comparant ces mesures avec d'autres ensembles de données, Hamilton et Garcia ont pu détecter des traces de l'un des modes normaux les plus longs.
Nouvelle base de données
Des vagues plus courtes, cependant, n'ont cédé que l'année dernière, lorsque le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme a publié la base de données ERA5. La base de données contient des données provenant de milliers de stations au sol, de ballons météorologiques et de satellites. Les «lacunes» étaient remplies de modèles informatiques puissants.
En conséquence, cette base de données reflète les informations qui pourraient être collectées par un réseau mondial de stations météorologiques situées tous les 10 kilomètres qui prendraient des mesures toutes les heures de 1979 à 2016.
Lancement du ballon météo. - ABC Rural: Caddy Brain
quand Takatoshi Sakazaki), un professeur assistant de l'université japonaise de Kyoto, entreprit d'étudier la base, il n'y recherchait pas du tout des vagues de Laplace, mais des baisses de température. Les chutes de pression n'étaient que du bruit pour lui, qui devait être éliminé.
Mais il se rendit vite compte qu'il pouvait s'agir des mêmes fluctuations normales. Lorsque Sakazaki a fait correspondre les données avec des prédictions théoriques, elles correspondaient presque parfaitement.
Pas très sûr de l'importance de la découverte, il s'est désabonné à Hamilton, qui était alors son conseiller scientifique.
Avant de publier son travail dans les années 1980, Hamilton a passé plusieurs décennies à rechercher les données des stations météorologiques pour les «notes» atmosphériques les plus basses. Et puis une lettre est tombée dans sa boîte aux lettres avec la preuve de l'existence d'une «symphonie» complète.
Sakazaki et Hamilton ont travaillé ensemble pour analyser la structure tridimensionnelle de ces ondes et ont publié leurs résultats dans le numéro de juillet du Journal of the Atmospheric Sciences. ( DOI: 10.1175 / JAS-D-20-0053.1 )
L'ouvrage décrit le comportement de dizaines d'ondes aussi précisément que possible, en plus de ceux trouvés dans les années 1980. Il s'est avéré que certains des plus énergiques changeaient leur pression de haute à basse 12 fois en un seul passage sur la planète.
Tous les résultats étaient en accord avec les prédictions dérivées des équations de Laplace.
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