Материалы портала «Научная Россия»

Волны, определяющие мировой климат, объяснили с помощью топологии

Волны, определяющие мировой климат, объяснили с помощью топологии
Как топологический изолятор внутри объема представляет собой диэлектрик, а на поверхности проводят ток, так и на стыке двух полушарий Земли (экваторе) возникают мощные волны, стремительно затухающие на более высоких широтах.

Физики из университета Брауна (США), под руководством Брэда Марстона (Brad Marston) предложили объяснение природы волн, возникающих на экваторе Земли и во многом определяющих климат на всей ее поверхности, основанное на топологии (разделе математики). Статью об этом, опубликованную в журнале Science, пересказывает сайт этого журнала.

Речь идет об огромных (длиной в тысячи километров) водяных и воздушных волнах, возникающих на экваторе и переносящих энергию вдоль него в восточном направлении. Они известны как волны Кельвина и Янаи. Их роль в определении климата всей планеты в целом огромна — например, они участвуют в формировании Южной осцилляции Эль-Ниньо.

Марстон с коллегами во многом вдохновлялись работами Таро Мацуно (Taroh Matsuno), климатолога из университета Токио, который еще в 1966 году предсказал многие свойства экваториальных волн. Однако американские ученые упростили расчеты, взяв в качестве моделей абстрактные волны, бушующие в более высоких широтах, и сфокусировались на относительно небольших участках, на которых силу Кориолиса можно считать константой.

При взгляде под таким углом, оказалось, что полушария Земли ведут себя отчасти похоже на топологические изоляторы — материалы, которые внутри объема представляют собой диэлектрики, а на поверхности, благодаря квантовым эффектам, проводят электрический ток. Как у них на стыке изолирующих материалов образуется токопроводящая область, так и на экваторе, где сила Кориолиса меняет знак на противоположный, возникают мощные волны, затухающие на более высоких широтах.

Причем этот принцип будет действовать на планете любой формы — вплоть до тора (в просторечии, бублика). Математика же получается при этом очень простой. «С технической точки зрения, наши расчеты гораздо проще, чем те, которые проводил Мацуно в 1960-х», — сказал Марстон.

Сотрудники университета Брауна рассчитывают теперь применить разработанный ими математический аппарат к другим системам, таким, как газовые диски вокруг звезд и черных дыр, а также к атмосферам Венеры и Титана, где также есть экваториальные волны.

Работа Марстона с коллегами также показывает, что физика конденсированного состояния (твердых тел и жидкостей) может иметь неожиданные параллели с физикой глобальных процессов, происходящих в атмосфере и гидросфере Земли.

топологические изоляторы физика жидкостей экватор эль ниньо

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий