クアンタマガジン

2023 年 7 月 18 日

温度に応じて色が付けられ、地球の海流はねじれ、渦を巻きます。 これらの流れの中には、荒れ狂って混沌としているように見えるものもありますが、秩序正しく安定しているものもあり、大規模な周期的な気象パターンを引き起こします。

NASA/ゴダード宇宙飛行センターScientific Visualization Studio

寄稿者

2023 年 7 月 18 日

私たちの惑星の大気と海の多くは嵐の気まぐれにかき混ぜられていますが、いくつかの特徴ははるかに規則的です。 赤道では、長さ千キロメートルの波が混沌の中に持続します。

海洋でも大気中でも、ケルビン波と呼ばれるこの巨大な波は常に東に向かって進みます。 そして、数年ごとに周期的に起こる海水温の上昇であるエルニーニョなど、変動する気象パターンを促進します。

地球物理学者は 1960 年代以来、赤道ケルビン波の数学的説明に頼ってきましたが、一部の人にとって、その説明は完全に満足のいくものではありませんでした。 これらの科学者たちは、波の存在についてのより直感的で物理的な説明を求めていました。 彼らはこの現象を基本原理の観点から理解して、次のような質問に答えたいと考えていました。ケルビン波が赤道を循環できるのは、赤道の何がそんなに特別なのでしょうか? そして、「一体なぜいつも東に進むのでしょうか？」 カリフォルニア大学デービス校の応用数学者ジョセフ・ビエロ氏は言う。

2017 年、3 人の物理学者がこの問題に対して異なるタイプの考え方を適用しました。 彼らは私たちの惑星を量子システムとして想像することから始めましたが、最終的には気象学と量子物理学の間にありそうもない関係を結びつけることになりました。 結局のところ、地球の自転は、磁場がトポロジカル絶縁体と呼ばれる量子材料中を移動する電子の経路をねじるのと同じような方法で、流体の流れを偏向させます。 惑星を巨大なトポロジカル絶縁体として想像すれば、赤道のケルビン波の起源を説明できると彼らは言いました。

しかし、たとえ理論が機能したとしても、それはまだ理論上にすぎませんでした。 それを直接観察的に検証した人は誰もいませんでした。 今回、新しいプレプリントで、科学者チームは、トポロジカル理論を裏付けるために必要な正確な種類の証拠である、大気のねじれ波の直接測定について説明しています。 この研究はすでに、科学者がトポロジーの言語を使用して他のシステムを記述するのに役立っており、地球上の波や気象パターンに関する新たな洞察につながる可能性があります。

「これは、実際の観察から集められた、これらのトポロジカルなアイデアの直接の裏付けです」と、ブラウン大学の物理学者であり、新しい論文の著者であるブラッド・マーストンは述べた。 「私たちは実際、トポロジカル絶縁体の中に住んでいます。」

この研究には関与していない英国のエクセター大学の応用数学者、ジェフリー・ヴァリス氏は、この新たな成果は地球の流体システムの「基礎的な理解」を提供する重要な進歩であると述べた。

この物語を始めるには 2 つの方法があります。 最初は水に関するもので、ケルビン卿としても知られるウィリアム・トムソンから始まります。 1879 年、彼はイギリス海峡の潮流がイギリス側よりもフランスの海岸線に沿って強いことに気づきました。 トムソンは、この観察が地球の自転によって説明できることに気づきました。 惑星が自転すると、コリオリ力と呼ばれる力が発生し、各半球の流体が異なる方向、つまり北では時計回り、南では反時計回りに渦を巻きます。 この現象により、イギリス海峡の水がフランスの海岸線に押し上げられ、海岸に沿って波が流れます。 現在は沿岸ケルビン波として知られているこれらの波は、それ以来世界中で観察されており、北半球では時計回りに（海岸線が波の右側にある）陸塊の周りを流れ、南半球では反時計回りに流れます。

Quanta Magazine を受信箱に届けてください

後にケルビン卿として知られるウィリアム・トムソンは、19 世紀のイギリスのエンジニア、数学者、数理物理学者でした。 彼の英仏海峡の潮汐の観察は、ケルビン波の発見につながりました。