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Un nuevo estudio detecta la música de la atmósfera terrestre


Una campana que suena vibra simultáneamente en un tono fundamental bajo y en muchos sobretonos más altos, produciendo un sonido musical agradable. Un estudio reciente, que acaba de ser publicado en el Journal of the Atmospheric Sciences por científicos de la Universidad de Kyoto y la Universidad de Hawái en Mānoa, muestra que toda la atmósfera de la Tierra vibra de manera análoga, en una sorprendente confirmación de las teorías desarrolladas por los físicos en los últimos dos siglos.

En el caso de la atmósfera, la música no viene como un sonido que pudiéramos escuchar, sino en forma de ondas de gran escala de presión atmosférica que abarcan el globo y viajan alrededor del ecuador, algunas moviéndose de este a oeste y otras de oeste a este. Cada una de estas ondas es una vibración resonante de la atmósfera global, análoga a uno de los tonos resonantes de una campana.

Un patrón de tablero de ajedrez de áreas de baja (azul) y alta (rojo) presión moviéndose hacia el este a través del tiempo, generado por sólo dos de las vibraciones de anillo de la atmósfera global (períodos = 32.4 hrs y 9.4 hrs) / foto Sakazaki and Hamilton (2020)

La comprensión básica de estas resonancias atmosféricas comenzó con ideas fundamentales a principios del siglo XIX por uno de los más grandes científicos de la historia, el físico y matemático francés Pierre-Simon Laplace. Las investigaciones de los físicos durante los dos siglos siguientes refinaron la teoría y condujeron a predicciones detalladas de las frecuencias de onda que deberían estar presentes en la atmósfera. Sin embargo, la detección real de tales ondas en el mundo real se ha quedado atrás de la teoría.

Ahora, en un nuevo estudio de Takatoshi Sakazaki, profesor asistente de la Escuela de Graduados en Ciencias de la Universidad de Kioto, y Kevin Hamilton, profesor emérito del Departamento de Ciencias Atmosféricas y del Centro Internacional de Investigación del Pacífico de la Universidad de Hawái en Mānoa, los autores presentan un análisis detallado de la presión atmosférica observada sobre el globo cada hora durante 38 años. Los resultados revelaron claramente la presencia de docenas de los modos de onda previstos.

Patrones de presión para 4 de los modos a medida que se propagan por el globo / foto Sakazaki and Hamilton (2020)

El estudio se centró particularmente en las ondas con períodos de entre 2 y 33 horas que viajan horizontalmente a través de la atmósfera, moviéndose alrededor del globo a grandes velocidades (que superan las 700 millas por hora). Esto establece un patrón característico de tablero de ajedrez de alta y baja presión asociado con estas ondas a medida que se propagan.

Para estos modos de ondas de movimiento rápido, nuestras frecuencias observadas y los patrones globales coinciden muy bien con los teóricamente predichos, declaró el autor principal Sakazaki. Es emocionante ver la visión de Laplace y otros físicos pioneros tan completamente validada después de dos siglos.

Pero este descubrimiento no significa que su trabajo haya terminado.

Nuestra identificación de tantos modos en los datos reales muestra que la atmósfera está sonando como una campana, comentó el co-autor Hamilton. Esto finalmente resuelve un problema clásico y de larga data en la ciencia atmosférica, pero también abre una nueva vía de investigación para entender tanto los procesos que excitan las ondas como los procesos que actúan para amortiguar las ondas.

¡Así que dejemos que la música atmosférica siga sonando!


Fuentes

University of Hawaii at Manoa / Sakazaki, T., and K. Hamilton, 2020: An Array of Ringing Global Free Modes Discovered in Tropical Surface Pressure Data. J. Atmos. Sci., 77, 2519–2539, doi.org/10.1175/JAS-D-20-0053.1.