Studie bestätigt alte Theorien: Erdatmosphäre schwingt wie eine Glocke

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Blick auf die Erdatmosphäre bei Sonnenaufgang. Copyright: NASA

Blick auf die Erdatmosphäre bei Sonnenaufgang.
Copyright: NASA

Manoa (USA) – Ebenso, wie eine klingelnde Glocke gleichzeitig mit einem tiefen Grundton und vielen höheren Obertönen vibriert, und so einen angenehmen musikalischen Klang erzeugt, so schwingt und vibriert auch die gesamte Erdatmosphäre. Die bereits vor zwei Jahrhunderten formulierte Theorie wurde nun von US-Atmosphärenwissenschaftlern bestätigt.

Wie Kevin Hamilton von der University of Hawaii und Takatoshi Sakazaki von der Kyoto University aktuell im „Journal of the Atmospheric Sciences“ (DOI. 10.1175/JAS-D-20-0053.1) berichtet, zeichnet sich die atmo-sphärische „Musik“ unseres Planeten jedoch nicht als hörbares Geräusch, sondern in Form von großen Wellen atmosphärischen Drucks ab, die den Globus überspannen und sich um den Äquator bewegen, wobei sich einige von Ost nach West und andere von West nach Ost bewegen: „Jede dieser Wellen ist eine Resonanzschwingung der globalen Atmosphäre, analog zu einer der Resonanztonhöhen einer Glocke“, erklären die Forscher.

Animation of pressure patterns on the globe
Animation von Druckmustern für vier einzelne Wellenmodi.
Quelle: www.hawaii.edu

Das grundlegende Verständnis dieser atmosphärischen Resonanzen begann zu Beginn des 19. Jahrhunderts mit bahnbrechenden Einsichten des französischen Physikers und Mathematikers Pierre-Simon Laplace. Forschungen von Physikern in den folgenden zwei Jahrhunderten verfeinerten die Theorie und führten zu detaillierten Vorhersagen jener Wellenfrequenzen, die in der Atmosphäre vorhanden sein sollten. Der tatsächliche Nachweis dieser Wellen blieb bislang jedoch hinter der Theorie zurück.

In ihrer Studie präsentieren Sakazaki und Hamilton nun eine detaillierte Analyse des stündlich beobachteten globalen atmosphärischen Drucks seit 38 Jahren. Die Ergebnisse belegen das Vorhandensein von Dutzenden der vorhergesagten Wellenmodi eindrucksvoll.

In ihrer Arbeit konzentrierten sich die Wissenschaftler insbesondere auf Wellen mit Zeiträumen zwischen 2 Stunden und 33 Stunden, die sich horizontal durch die Atmosphäre bewegen und sich mit hoher Geschwindigkeit (über 700 Meilen pro Stunde) um den Globus bewegen. Aus dieser Bewegung hervor, geht ein charakteristisches Schachbrett-Muster von hohem und niedrigem Druck, das mit diesen Wellen verbunden ist, wenn sie sich ausbreiten (siehe animierte Abb. o.).

Unterschiedliche Resonanzschwingungen erzeugen Schachbrettmuster in der Atmosphäre. (Klicken Sie auf die Bildmitte, um zu einer vergrößerten Darstellung zu gelangen.) Copyright/Quelle: Sakazaki und Hamilton / Journal of the Atmospheric Sciences. 2020 https://journals.ametsoc.org/view-large/figure/12778968/jasD200053-f6.tif

Unterschiedliche Resonanzschwingungen erzeugen Schachbrettmuster in der Atmosphäre.
(Klicken Sie auf die Bildmitte, um zu einer vergrößerten Darstellung zu gelangen.)
Copyright/Quelle: Sakazaki und Hamilton / Journal of the Atmospheric Sciences. 2020

“Für diese sich schnell bewegenden Wellenmoden stimmen unsere beobachteten Frequenzen und globalen Muster sehr gut mit den theoretisch vorhergesagten überein”, sagte Sakazaki, Hauptautor der Studie. “Es ist aufregend zu sehen, wie die Vision von Laplace und anderen wegweisenden Physikern nach zwei Jahrhunderten so vollständig bestätigt wurde.”

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Die Entdeckung bedeute jedoch nicht, dass die Arbeit damit abgeschlossen sei: “Unsere Identifizierung so vieler Modi in realen Daten zeigt, dass die Atmosphäre tatsächlich wie eine Glocke läutet”, bemerkt Hamilton abschließend. “Dies löst schließlich ein langjähriges und klassisches Problem in der Atmosphärenwissenschaft, eröffnet aber auch einen neuen Forschungsweg, um sowohl die Prozesse zu verstehen, die die Wellen anregen, als auch die Prozesse, die die Wellen dämpfen.”

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Quelle University of Hawaii Manoa

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