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New study detects ringing of the global atmosphere (Science Daily)

Date: July 7, 2020

Source: University of Hawaii at Manoa

Summary: A ringing bell vibrates simultaneously at a low-pitched fundamental tone and at many higher-pitched overtones, producing a pleasant musical sound. A recent study shows that the Earth’s entire atmosphere vibrates in an analogous manner, in a striking confirmation of theories developed by physicists over the last two centuries.  

A ringing bell vibrates simultaneously at a low-pitched fundamental tone and at many higher-pitched overtones, producing a pleasant musical sound. A recent study, just published in the Journal of the Atmospheric Sciences by scientists at Kyoto University and the University of Hawaii at Manoa, shows that the Earth’s entire atmosphere vibrates in an analogous manner, in a striking confirmation of theories developed by physicists over the last two centuries.

In the case of the atmosphere, the “music” comes not as a sound we could hear, but in the form of large-scale waves of atmospheric pressure spanning the globe and traveling around the equator, some moving east-to-west and others west-to-east. Each of these waves is a resonant vibration of the global atmosphere, analogous to one of the resonant pitches of a bell. The basic understanding of these atmospheric resonances began with seminal insights at the beginning of the 19th century by one of history’s greatest scientists, the French physicist and mathematician Pierre-Simon Laplace. Research by physicists over the subsequent two centuries refined the theory and led to detailed predictions of the wave frequencies that should be present in the atmosphere. However, the actual detection of such waves in the real world has lagged behind the theory.

Now in a new study by Takatoshi Sakazaki, an assistant professor at the Kyoto University Graduate School of Science, and Kevin Hamilton, an Emeritus Professor in the Department of Atmospheric Sciences and the International Pacific Research Center at the University of Hawaii at Manoa, the authors present a detailed analysis of observed atmospheric pressure over the globe every hour for 38 years. The results clearly revealed the presence of dozens of the predicted wave modes.

The study focused particularly on waves with periods between 2 hours and 33 hours which travel horizontally through the atmosphere, moving around the globe at great speeds (exceeding 700 miles per hour). This sets up a characteristic “chequerboard” pattern of high and low pressure associated with these waves as they propagate.

“For these rapidly moving wave modes, our observed frequencies and global patterns match those theoretically predicted very well,” stated lead author Sakazaki. “It is exciting to see the vision of Laplace and other pioneering physicists so completely validated after two centuries.”

But this discovery does not mean their work is done.

“Our identification of so many modes in real data shows that the atmosphere is indeed ringing like a bell,” commented co-author Hamilton. “This finally resolves a longstanding and classic issue in atmospheric science, but it also opens a new avenue of research to understand both the processes that excite the waves and the processes that act to damp the waves.”

So let the atmospheric music play on!


Story Source:

Materials provided by University of Hawaii at Manoa. Note: Content may be edited for style and length.


Journal Reference:

  1. Takatoshi Sakazaki, Kevin Hamilton. An Array of Ringing Global Free Modes Discovered in Tropical Surface Pressure Data. Journal of the Atmospheric Sciences, 2020; 77 (7): 2519 DOI: 10.1175/JAS-D-20-0053.1

Cientistas comprovam padrão de ondas na atmosfera da Terra (Revista Galileu)

Movimentação foi teorizada pela primeira vez no século 19 pelo francês Pierre-Simon Laplace, mas confirmada só agora por cientistas japoneses e norte-americanos

Redação Galileu

08 Jul 2020 – 14h45 Atualizado em 08 Jul 2020 – 14h45

Cientistas descobrem padrão de ondas na atmosfera da Terra. Acima: padrão de áreas de pressão baixa (azul) e alta (vermelha) se movendo para o leste ao longo do tempo (Foto: Sakazaki and Hamilton)
Cientistas descobrem padrão de ondas na atmosfera da Terra. Acima: padrão de áreas de pressão baixa (azul) e alta (vermelha) se movendo para o leste ao longo do tempo (Foto: Sakazaki and Hamilton)

Em um estudo publicado na edição de julho do Journal of the Atmospheric Sciences, cientistas da Universidade de Kyoto, no Japão, e da Universidade do Havaí, nos Estados Unidos, pesquisadores comprovaram algo que a ciência já suspeitava há dois séculos: a atmosfera da Terra “vibra” em um padrão de ondas.

Os cientistas perceberam que a vibração se dá na forma de grandes ondas de pressão atmosférica que abrangem o globo e viajam ao redor da linha do Equador, algumas se movendo de leste a oeste e outras no sentido contrário. Essa movimentação foi teorizada pela primeira vez no século 19 pelo francês Pierre-Simon Laplace, estudada ao longo das décadas seguintes e confirmada agora pelos cientistas japoneses e norte-americanos.

No novo estudo, os autores realizaram uma análise detalhada das mudanças na pressão atmosférica a cada hora durante 38 anos. Os resultados revelam a presença de dezenas de tipos de ondas previstos anteriormente pelos modelos teóricos.

Quatro modelos de padrões de pressão causados pelas ondas atmosféricas ao longo do tempo (Foto: Sakazaki and Hamilton)
Quatro modelos de padrões de pressão causados pelas ondas atmosféricas ao longo do tempo (Foto: Sakazaki and Hamilton)

O estudo concentrou-se particularmente em ondas com períodos entre 2 horas e 33 horas que viajam horizontalmente pela atmosfera, movendo-se ao redor do mundo em velocidades superiores a 1100 km/h. Segundo os especialistas, à medida que se propagam, estas ondas interferem na formação de regiões de alta e baixa pressão atmosférica.

“Nossas frequências observadas e padrões globais correspondem muito bem aos [modelos] previstos teoricamente”, afirmou o principal autor do estudo, Takatoshi Sakazaki, em comunicado. “É emocionante ver a visão de Laplace e de outros físicos pioneiros tão completamente validados após dois séculos.”