Erdatmosphäre tönt wie eine Glocke

Wissenschaftler stellen durch Sonne und Mond verursachte atmosphärische Wellen fest

Wie der Mond die Weltmeere anzieht und zu den Gezeiten beiträgt, so zieht er auch unsere Atmosphäre zusammen mit der Sonne an und erzeugt Wellen. Eine im amerikanischen Journal of the Atmospheric Sciences publizierte Studie der Universität von Hawaii zeigt nun, wie diese Wellen ähnlich den Schallwellen in einer Glocke um die Erde schwingen, erstmals im 19. Jahrhundert von dem berühmten französischen Physiker Pierre-Simon Laplace vorhergesagt – schrieb Tessa Koumoundouros in Science Alert.

Eine läutende Glocke schwingt gleichzeitig mit einem tiefen Grundton und vielen höheren Obertönen und erzeugt so einen angenehmen musikalischen Klang. Die gesamte Erdatmosphäre schwingt auf analoge Weise. Im Falle der Atmosphäre kommt die “Musik” nicht in Form eines Geräusches, das wir hören könnten, sondern in Form von großräumigen Wellen des atmosphärischen Drucks, die den Globus umspannen und den Äquator umlaufen, wobei sich einige von Osten nach Westen und andere von Westen nach Osten bewegen. Jede dieser Wellen ist eine Resonanzschwingung der globalen Atmosphäre, analog zu einer der resonanten Tonhöhen einer Glocke (Medienmitteilung der University of Hawaii).

Muster von sich ostwärts bewegenden Resonanzwellen mit Tiefdruck- (blau) und Hochdruckgebieten (rot) – Grafik © Sakazaki & Hamiltons, J. Atmos. Sci., 2020

Im Wasser werden Wellen durch Energieübertragung erzeugt. Energie, die sich durch unseren Himmel bewegt – von Dingen wie wärmeerzeugtem Druck bis hin zur Anziehungskraft von Himmelskörpern – erzeugt ebenfalls Wellen. Diese atmosphärischen Wellen schwappen nicht so wie die Meereswellen, aber sie sind dennoch erkennbar, wenn man weiß, worauf man achten muss: sich bewegende Lufttaschen mit dichter gepackter Luft, die Tausende von Kilometern lang sind.

Frühere Studien konzentrierten sich auf örtlich begrenzte Räume und begrenzte Zeitskalen und ermöglichten die Erkennung von Himmelswellen mit einem Durchmesser von 1.000 bis 10.000 km und einer Wellenfrequenz von mehreren Stunden. Kürzlich verfügbare Daten haben nun jedoch eine viel umfassendere globale Sicht eröffnet.

Der ERA5-Datensatz, der vom Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen (ECMWF) veröffentlicht wurde, liefert stündliche Schätzungen vieler globaler atmosphärischer, terrestrischer und ozeanischer Klimavariablen innerhalb von fünf Tagen in Echtzeit. Er enthält auch eine Vielzahl von neu analysierten historischen Beobachtungen dieser Messungen, wodurch der Datensatz bis ins Jahr 1979 zurückreicht.

Dies ermöglichte es Takatoshi Sakazaki von der Universität Kyoto und dem Atmosphärenforscher Kevin Hamilton von der Universität Hawaii, Daten zum atmosphärischen Druck über 38 Jahre hinweg zu untersuchen, einschließlich Himmelswellen mit Frequenzen zwischen zwei Stunden und zwei Tagen und Wellenlängen von mehr als 5.000 km. Auf dieser Skala konnten die Forscher zuvor nachgewiesene lunare und solare atmosphärische Wellen beobachten, zusammen mit etwas anderem: “zufällig angeregte Resonanzmoden auf globaler Skala”, die erstmals im 19. Jahrhundert vom berühmten französischen Physiker Pierre-Simon Laplace vorhergesagt wurden.

Wenn sich die Wellen in der richtigen Höhe und Geschwindigkeit durch die Luft bewegen, können sie mit der Atmosphäre in Einklang gebracht werden und Resonanz erzeugen. Dadurch können die Wellen ein Muster bilden, das stabil genug ist, um über die gesamte globale Atmosphäre zu schwingen, wie Schallwellen, die durch eine Glocke läuten. Und in der Tat fanden die Forscher eine Reihe dieser resonanten Himmelswellen (Resonanzmoden), die sich über den gesamten Globus erstreckten und Tonschichten zum glockenartigen Läuten der Atmosphäre beitrugen. Dazu gehören mehrere Resonanzmoden, die tropische Regionen umkreisen. “Unsere Identifizierung so vieler Moden in realen Daten zeigt, dass die Atmosphäre tatsächlich wie eine Glocke läutet. Das löst schließlich ein langjähriges und klassisches Problem in der Atmosphärenwissenschaft. Es eröffnet jedoch auch einen neuen Forschungsweg, um sowohl die Prozesse zu verstehen, die die Wellen anregen, als auch die Prozesse, welche die Wellen dämpfen”, sagte Hamilton.

Das Team identifizierte einige der Wellensätze als Rossby-Wellen, die durch Trägheit angetrieben werden, und andere als Kelvin-Wellen. Einige von ihnen bewegen sich ostwärts, andere westwärts, und einige überschreiten eine schwindelerregende Geschwindigkeit von 1.080 km/h.

Animation von Druckmustern für vier einzelne Wellenmodi.Das Team stellte auch einen kleinen Unterschied zwischen den beobachteten und den vorhergesagten Frequenzen dieser Resonanzwellen fest, woraus sie schlossen, dass dieser Unterschied durch eine Dopplerverschiebung verursacht wird, wenn sich die Wellen in ihrer Ausbreitungsrichtung näher zueinander bewegen und dadurch in ihrer Frequenz zunehmen. Diese bewegt sich hauptsächlich in östlicher Richtung.

Details wie diese können nun in atmosphärischen Modellen berücksichtigt werden, um sie genauer zu machen. “Für diese sich schnell bewegenden Wellenmoden stimmen unsere beobachteten Frequenzen und globalen Muster sehr gut mit den theoretisch vorhergesagten überein”, erklärte Sakazaki. “Es ist aufregend, die Vision von Laplace und anderen bahnbrechenden Physikern nach zwei Jahrhunderten so vollständig bestätigt zu sehen”.

Die Bestätigung dieser Theorien der atmosphärischen Zirkulation und die anschließende Feinabstimmung werden es den Wissenschaftlern ermöglichen, robustere Klima- und Wettervorhersagemodelle zu erstellen. Aber es bleibt noch viel zu tun; die Forscher planen nun, die Prozesse zu untersuchen, die diese neu bestätigten atmosphärischen Glockenspiele anregen und dämpfen.

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