Hvordan oceaner og atmosfærer flytter varme rundt på Jorden og andre planetariske legemer

Forestil dig et kæmpe krus med kulde, tæt creme med varm kaffe hældt ovenpå. Placer den nu på et roterende bord. Over tid, væskerne vil langsomt blandes ind i hinanden, og varme fra kaffen vil til sidst nå bunden af ​​kruset. Men som de fleste af os utålmodige kaffedrikkere ved, at røre lagene sammen er en mere effektiv måde at fordele varmen på og nyde en drik, der ikke er skoldning varm eller iskold. Nøglen er hvirvlerne, eller hvirvler, der dannes i den turbulente væske.

"Hvis du bare ventede på at se, om molekylær diffusion gjorde det, det ville tage evigheder, og du vil aldrig få din kaffe og mælk sammen, " siger Raffaele Ferrari, Cecil og Ida Green professor i oceanografi ved MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS).

Denne analogi hjælper med at forklare en ny teori om de forviklinger klimasystemet på Jorden - og andre roterende planeter med atmosfærer og/eller oceaner - skitseret i et nyligt PNAS-papir af Ferrari og Basile Gallet, en EAPS-gæsteforsker fra Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA Saclay, Frankrig.

Det kan virke intuitivt, at Jordens solbagte ækvator er varm, mens de relativt solberøvede poler er kolde, med en gradient af temperaturer imellem. Imidlertid, det faktiske spænd for denne temperaturgradient er relativt lille sammenlignet med, hvad det ellers kunne være på grund af den måde, Jordsystemet fysisk transporterer varme rundt om på kloden til køligere områder, moderering af ekstremerne.

Ellers, "du ville have ulidelige varme temperaturer ved ækvator og [de tempererede breddegrader] ville være frosset, " siger Ferrari. "Så, det faktum, at planeten er beboelig, som vi kender det, har at gøre med varmetransport fra ækvator til polerne."

Endnu, på trods af vigtigheden af ​​global varmeflux for at opretholde jordens moderne klima, de mekanismer, der driver processen, er ikke helt forstået. Det er her, Ferrari og Gallets seneste arbejde kommer ind:deres forskning udstikker en matematisk beskrivelse af den fysik, der understøtter den rolle, som marine og atmosfæriske hvirvler spiller i omfordelingen af ​​denne varme i det globale system.

Ferrari og Gallets arbejde bygger på en anden MIT-professor, den afdøde meteorolog Norman Phillips, WHO, i 1956, foreslået et sæt ligninger, "Phillips-modellen, " for at beskrive global varmetransport. Phillips' model repræsenterer atmosfæren og havet som to lag med forskellig tæthed oven på hinanden. Mens disse ligninger fanger udviklingen af ​​turbulens og forudsiger fordelingen af ​​temperaturen på Jorden med relativ nøjagtighed, de er stadig meget komplekse og skal løses med computere. Den nye teori fra Ferrari og Gallet giver analytiske løsninger til ligningerne og forudsiger kvantitativt lokal varmeflux, energi, der driver hvirvlerne, og storskala flowkarakteristika. Og deres teoretiske ramme er skalerbar, hvilket betyder at det virker for hvirvler, som er mindre og tættere i havet, samt cykloner i atmosfæren, der er større.

Sætter processen i gang

Fysikken bag hvirvler i din kaffekop adskiller sig fra naturens. Flydende medier som atmosfæren og havet er karakteriseret ved variationer i temperatur og tæthed. På en roterende planet, disse variationer accelererer stærke strømme, mens friktion - på bunden af ​​havet og atmosfæren - bremser dem. Denne tovtrækning resulterer i ustabilitet i strømmen af ​​store strømme og producerer uregelmæssige turbulente strømme, som vi oplever som et stadigt skiftende vejr i atmosfæren.

Hvirvler - lukkede cirkulære strømme af luft eller vand - er født af denne ustabilitet. I atmosfæren, de kaldes cykloner og anticykloner (vejrmønstrene); i havet kaldes de hvirvler. I begge tilfælde de er forbigående, ordnede formationer, opstår noget uregelmæssigt og forsvinder over tid. Når de spinder ud af den underliggende turbulens, de, også, hindres af friktion, forårsager deres eventuelle spredning, som fuldender overførslen af ​​varme fra ækvator (toppen af ​​den varme kaffe) til polerne (bunden af ​​fløden).

Zoomer ud til det større billede

Mens jordsystemet er meget mere komplekst end to lag, at analysere varmetransport i Phillips' forenklede model hjælper videnskabsmænd med at løse den fundamentale fysik, der er i spil. Ferrari og Gallet fandt ud af, at varmetransporten på grund af hvirvler, selvom retningsmæssigt kaotisk, ender med at flytte varme til polerne hurtigere end et mere jævntflydende system ville. Ifølge Ferrari, "hvirvler gør hundens arbejde med at flytte varme, ikke uorganiseret bevægelse (turbulens)."

Det ville være umuligt at matematisk redegøre for hver eneste hvirvelstrøm, der dannes og forsvinder, så forskerne udviklede forenklede beregninger for at bestemme de overordnede virkninger af hvirveladfærd, baseret på breddegrad (temperaturgradient) og friktionsparametre. Derudover de betragtede hver hvirvel som en enkelt partikel i en gasvæske. Da de inkorporerede deres beregninger i de eksisterende modeller, de resulterende simuleringer forudsagde Jordens faktiske temperaturregimer ret præcist, og afslørede, at både dannelsen og funktionen af ​​hvirvler i klimasystemet er meget mere følsomme over for friktionsmodstand end forventet.

Ferrari understreger, at alle modelleringsbestræbelser kræver forenklinger og ikke er perfekte repræsentationer af naturlige systemer - som i dette tilfælde, med atmosfæren og oceanerne repræsenteret som simple tolagssystemer, og Jordens sfæriskhed tages ikke i betragtning. Selv med disse ulemper, Gallet og Ferraris teori har fået andre oceanografers opmærksomhed.

"Siden 1956, meteorologer og oceanografer har prøvet, og mislykkedes, for at forstå denne Phillips-model, " siger Bill Young, professor i fysisk oceanografi ved Scripps Institution of Oceanography, "Avisen af ​​Gallet og Ferrari er den første vellykkede deduktive forudsigelse af, hvordan varmefluxen i Phillips-modellen varierer med temperaturgradienten."

Ferrari siger, at besvarelse af grundlæggende spørgsmål om, hvordan varmetransport fungerer, vil give forskerne mulighed for mere generelt at forstå Jordens klimasystem. For eksempel, i jordens dybe fortid, der var tidspunkter, hvor vores planet var meget varmere, da krokodiller svømmede i det arktiske område og palmer strakte sig op i Canada, og også tidspunkter, hvor det var meget koldere, og mellembredderne var dækket af is. "Det er klart, at varmeoverførsel kan ændre sig på tværs af forskellige klimaer, så du vil gerne være i stand til at forudsige det, " siger han. "Det har været et teoretisk spørgsmål i folks sind i lang tid."

Da den gennemsnitlige globale temperatur er steget mere end 1 grad Celsius i de sidste 100 år, og er på vej til at overgå det i det næste århundrede, behovet for at forstå – og forudsige – Jordens klimasystem er blevet afgørende som samfund, regeringer, og industrien tilpasser sig det nuværende skiftende miljø.

"Jeg synes, det er ekstremt givende at anvende de grundlæggende principper for turbulente strømme på et så aktuelt emne, siger Gallet, "I det lange løb, denne fysikbaserede tilgang vil være nøglen til at reducere usikkerheden i klimamodellering."

Følger i fodsporene på meteorologigiganter som Norman Phillips, Jule Charney, og Peter Stone, der udviklede banebrydende klimateorier ved MIT, også dette værk følger en formaning fra Albert Einstein:"Ud af rod, finde enkelhed."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.