في حين يتم تحريك الكثير من الهواء والبحار على كوكبنا عند نزوة العاصفة ، فإن بعض الميزات تكون أكثر انتظامًا. عند خط الاستواء ، تستمر الأمواج التي يبلغ طولها ألف كيلومتر وسط الفوضى.

في كل من المحيط والغلاف الجوي ، تنتقل هذه الموجات الهائلة ، التي تسمى موجات كلفن ، دائمًا باتجاه الشرق. وهي تغذي أنماط الطقس المتذبذبة مثل النينيو ، وهو ارتفاع دوري في درجات حرارة المحيط يعود كل بضع سنوات.

اعتمد الجيوفيزيائيون على تفسير رياضي لموجات كلفن الاستوائية منذ الستينيات ، لكن بالنسبة للبعض ، لم يكن هذا التفسير مرضيًا تمامًا. أراد هؤلاء العلماء تفسيرًا ماديًا أكثر حدسية لوجود الأمواج. لقد أرادوا فهم الظاهرة من حيث المبادئ الأساسية والإجابة على أسئلة مثل: ما هو الشيء المميز في خط الاستواء الذي يسمح لموجة كلفن بالدوران هناك؟ و "لماذا هيك يسافر دائما شرقا؟" قال جوزيف بيلو، عالم رياضيات تطبيقية في جامعة كاليفورنيا ، ديفيس.

في عام 2017 ، طبق ثلاثة من علماء الفيزياء نوعًا مختلفًا من التفكير على المشكلة. بدأوا بتخيل كوكبنا كنظام كمي ، وانتهى بهم الأمر بإقامة علاقة غير محتملة بين علم الأرصاد الجوية وفيزياء الكم. كما اتضح ، فإن دوران الأرض ينحرف عن تدفق السوائل بطريقة مماثلة لكيفية تحريك الحقول المغناطيسية لمسارات الإلكترونات التي تتحرك خلال المواد الكمومية التي تسمى العوازل الطوبولوجية. قالوا إذا تخيلت الكوكب على أنه عازل طوبولوجي عملاق ، يمكنك شرح أصل موجات كلفن الاستوائية.

ولكن على الرغم من نجاح النظرية ، إلا أنها كانت نظرية فقط. لم يقم أحد بالتحقق منه بشكل مباشر. الآن ، في نسخة أولية جديدة ، يصف فريق من العلماء القياس المباشر حول موجات الغلاف الجوي الملتوية - النوع الدقيق من الأدلة اللازمة لدعم النظرية الطوبولوجية. لقد ساعد العمل العلماء بالفعل على استخدام لغة الطوبولوجيا لوصف الأنظمة الأخرى ، ويمكن أن يؤدي إلى رؤى جديدة حول الأمواج وأنماط الطقس على الأرض.

"هذا تأكيد مباشر لهذه الأفكار الطوبولوجية ، مستقاة من الملاحظات الفعلية ،" قال براد مارستون، عالم فيزياء بجامعة براون ومؤلف الورقة البحثية الجديدة. "نحن نعيش بالفعل داخل عازل طوبولوجي."

جيفري فاليسقال عالم الرياضيات التطبيقية في جامعة إكستر في المملكة المتحدة والذي لم يشارك في العمل ، إن النتيجة الجديدة هي تقدم كبير سيوفر "فهمًا أساسيًا" لأنظمة السوائل في الأرض.

شكل الماء

هناك طريقتان لبدء هذه القصة. الأول يتعلق بالمياه ، ويبدأ مع ويليام طومسون ، المعروف أيضًا باسم اللورد كلفن. في عام 1879 ، لاحظ أن المد في القناة الإنجليزية كانت أقوى على طول الساحل الفرنسي منها على الجانب الإنجليزي. أدرك طومسون أن هذه الملاحظة يمكن تفسيرها من خلال دوران الأرض. عندما يدور الكوكب ، يولد قوة تسمى قوة كوريوليس ، والتي تتسبب في دوران السوائل في كل نصف كرة في اتجاهات مختلفة: في اتجاه عقارب الساعة في الشمال ، وعكس اتجاه عقارب الساعة في الجنوب. تدفع هذه الظاهرة المياه في القنال الإنجليزي إلى أعلى مقابل الخط الساحلي الفرنسي ، مما يجبر الأمواج على التدفق على طول سواحلها. تُعرف هذه الموجات الآن باسم موجات كلفن الساحلية ، وقد لوحظت منذ ذلك الحين في جميع أنحاء العالم ، وتتدفق في اتجاه عقارب الساعة حول كتل اليابسة (مع الخط الساحلي على الجانب الأيمن من الموجة) في نصف الكرة الشمالي وعكس اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الجنوبي.

لكن قد مر ما يقرب من قرن قبل أن يكتشف العلماء التموجات الاستوائية الأكبر بكثير ويربطونها بموجات كلفن الساحلية.

حدث ذلك في عام 1966 ، عندما كان تاروه ماتسونو ، عالم الأرصاد الجوية ، يضع نموذجًا رياضيًا لسلوك السوائل - كل من الهواء والماء - بالقرب من خط استواء الأرض. مع حساباته ، ماتسونو أظهرت أن موجات كلفن يجب أن توجد أيضًا عند خط الاستواء. في البحر ، بدلاً من الدفع ضد الساحل ، سوف يصطدمون بالماء من نصف الكرة المعاكس ، والذي يدور في الاتجاه المعاكس. وفقًا لرياضيات ماتسونو ، يجب أن تتدفق الموجات الاستوائية الناتجة باتجاه الشرق ، ويجب أن تكون هائلة - يبلغ طولها آلاف الكيلومترات.

أكد العلماء تنبؤات ماتسونو في عام 1968 ، عندما لاحظوا موجات كلفن الاستوائية الهائلة لأول مرة. قال إنها كانت "واحدة من المرات القليلة التي سبقت فيها نظرية [السائل الجيوفيزيائي] الاكتشاف" جورج كلاديس، عالم الأرصاد الجوية في الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي. أكد كلادس وزميله لاحقًا على تنبؤات أخرى لماتسونو عندما ربطوا طول موجة كلفن بتردد اهتزازاتها - وهي خاصية تُعرف باسم علاقة التشتت - ووجدوا أنها تتطابق مع معادلات ماتسونو.

لذلك عملت الرياضيات. كانت الموجات الاستوائية موجودة ، تمامًا كما كان متوقعًا. لكن معادلات ماتسونو لم تشرح كل شيء عن الأمواج. ولم تكن كافية لتفسير الجميع. فقط لأنك تستطيع حل معادلة لا يعني أنك تفهمها. "هل أنت راضٍ حقًا عن" لماذا "؟" قال بيلو.

التقلبات والدوامات

اتضح أن السبب كان يختبئ في عالم الكم - وهو مكان نادرًا ما يخطوه علماء الجيوفيزياء. وبالمثل ، فإن معظم علماء فيزياء الكم لا يعالجون عمومًا ألغاز السوائل الجيوفيزيائية. لكن مارستون كان استثناء. بدأ مسيرته المهنية في فيزياء المادة المكثفة ، لكنه كان مهتمًا أيضًا بفيزياء المناخ وسلوك السوائل في محيطات الأرض والغلاف الجوي. شك مارستون في وجود علاقة بين الموجات الجيوفيزيائية والإلكترونات التي تتحرك عبر مجال مغناطيسي ، لكنه لم يعرف مكان العثور عليها - حتى زميله انطوان فينيلي اقترح النظر إلى خط الاستواء. لاحظ مارستون بعد ذلك أن علاقة تشتت الموجات على طول خط الاستواء (التي قاسها كيلاديس) بدت مشابهة بشكل ملحوظ لعلاقة تشتت الإلكترونات في عازل طوبولوجي. قال مارستون إن أي فيزيائي مادة مكثفة "سيتعرف عليها على الفور". "إذا كنت قد اهتممت بالمناطق الاستوائية من الأرض ، لكنت أدركت ذلك في وقت أقرب بكثير."

وهنا تبدأ القصة للمرة الثانية ، مع الاكتشاف الحديث نسبيًا للسلوك الكمومي للإلكترونات في العوازل الطوبولوجية.

في عام 1980 ، أراد عالم فيزياء الكم يُدعى كلاوس فون كليتزينج أن يعرف كيف تتصرف الإلكترونات في المجال المغناطيسي عندما يتم تبريدها بدرجة كافية حتى تصبح طبيعتها الكمية ظاهرة. لقد كان يعلم بالفعل أن الإلكترون الذي يحاول اجتياز مجال مغناطيسي ينحرف عن اتجاه حركته وينتهي به الأمر في شكل دوائر. لكنه لم يكن يعرف كيف يمكن أن يتغير ذلك عندما قدم المكون الكمي.

قام فون كليتزينج بتجميد إلكتروناته إلى درجة الصفر المطلق تقريبًا. كما كان يشك ، عند حافة المادة ، تكمل الإلكترونات نصف دائرتها فقط قبل أن تصطدم بالحافة. ثم يهاجرون على طول تلك الحدود ، ويتحركون في اتجاه واحد. حركتهم على طول الحدود تخلق تيار حافة. فون كليتزينج وجدت أنه في درجات الحرارة شديدة البرودة ، عندما تصبح الطبيعة الكمومية للإلكترونات ذات صلة ، يكون تيار الحافة قويًا بشكل مدهش: إنه محصن ضد التغيرات في المجال المغناطيسي المطبق ، والاضطراب في المادة الكمومية ، وأي عيوب أخرى في التجربة. اكتشف ظاهرة تسمى تأثير هول الكمي.

على مدى السنوات القليلة التالية ، أدرك الفيزيائيون أن مناعة تيار الحافة قد ألمحت إلى مفهوم معترف به الآن على نطاق واسع في الفيزياء. عندما يتم شد كائن أو سحقه - أو تشوهه بطريقة أخرى دون أن ينكسر - وتظل ميزاته كما هي ، يُقال إن الكائن "محمي طوبولوجيًا". على سبيل المثال ، إذا قمت بعمل شريط Möbius عن طريق لف شريط من الورق مرة واحدة وربط طرفيه ، فإن عدد التقلبات لا يتغير بغض النظر عن كيفية تمدد الشكل. الطريقة الوحيدة لتعديل الالتواء هي قطع شريط Möbius. لذا فإن رقم لف الشريط ، 1 ، هو ميزة محمية طوبولوجيًا.

العودة إلى التجربة. نظرًا لأن الإلكترونات الموجودة في الجزء الداخلي من مادة von Klitzing فائقة البرودة تدور حول المجال المغناطيسي ، فإن وظائفها الموجية (وصف كمي لطبيعتها الشبيهة بالموجات) ملتوية إلى شيء مثل شريط Möbius. من خلال بعض الحيل الفيزيائية ، تُرجمت التقلبات الطوبولوجية في الداخل إلى تيار حافة يتدفق دون أن يتبدد. بعبارة أخرى ، كانت مناعة تيار الحافة خاصية محمية طوبولوجيًا أنشأتها الإلكترونات الداخلية الملتوية. يشار الآن إلى مواد مثل عينات فون كليتزينج فائقة البرودة على أنها عوازل طوبولوجية ، لأنه على الرغم من أن الأجزاء الداخلية منها عبارة عن عوازل ، إلا أن الطوبولوجيا تسمح للتيار بالتدفق حول حوافها.

عندما نظر مارستون وزملاؤه إلى موجات كلفن الاستوائية على الأرض ، رأوا انتظامًا جعلهم يتساءلون عما إذا كانت الموجات مماثلة لتيار الحافة في عازل طوبولوجي.

في عام 2017 ، جنبا إلى جنب مع بيير ديلبليس و Venaille ، كلاهما فيزيائي في المدرسة العليا نورمال في ليون ، فرنسا ، مارستون ملاحظ أن قوة كوريوليس تدور حول السوائل على الأرض بالطريقة التي يدور بها المجال المغناطيسي إلكترونات فون كليتزينج. في النسخة الكوكبية من العازل الطوبولوجي ، تشبه موجات كلفن الاستوائية التيار المتدفق عند حافة مادة كمومية. تنتشر هذه الموجات الهائلة حول خط الاستواء لأنها الحد الفاصل بين عازلين ، نصفي الكرة الأرضية. وهي تتدفق شرقاً لأنه في النصف الشمالي من الكرة الأرضية ، يدور دوران الأرض بالسوائل في اتجاه عقارب الساعة ، وفي النصف الجنوبي من الكرة الأرضية ، يدور المحيط في الاتجاه الآخر.

قال بيلو: "كانت هذه أول إجابة غير بديهية يقدمها أي شخص عن سبب وجوب وجود موجة كلفن". بالنسبة له ، شرح الثلاثي الظاهرة باستخدام مبادئ أساسية واسعة ، بدلاً من مجرد موازنة المصطلحات في المعادلات الرياضية.

يعتقد Venaille حتى أن الوصف الطوبولوجي قد يفسر لماذا تبدو موجات كلفن الاستوائية للأرض قوية بشكل مدهش ، حتى في مواجهة الاضطرابات والفوضى - طقس كوكبنا غير المنتظم. وأوضح أنها تصمد أمام الاضطرابات بنفس الطريقة التي يتدفق بها تيار الحافة للعازل الطوبولوجي دون أن يتبدد ودون أي اعتبار للشوائب في المادة.

شكل الهواء

على الرغم من العمل النظري ، فإن العلاقة بين الأنظمة الطوبولوجية وموجات الأرض الاستوائية لا تزال غير مباشرة. رأى العلماء الموجات المتدفقة شرقا. لكنهم لم يروا بعد أي شيء مشابه للإلكترونات الداخلية الدوامة ، والتي ستكون في النظام الكمومي المصدر الأصلي لقوة الموجات الحدودية. لتأكيد أنه على نطاق واسع ، تتصرف سوائل الأرض مثل الإلكترونات في عازل طوبولوجي ، احتاج الفريق إلى إيجاد موجات ملتوية طوبولوجيًا في مكان ما بعيدًا عن خط الاستواء.

في عام 2021 ، شرع مارستون في العثور على تلك الموجات الملتوية ، جنبًا إلى جنب مع ويكسوان شوثم في جامعة براون وزملاؤهم. للقيام بذلك ، نظروا إلى الغلاف الجوي للأرض ، حيث تحرك قوة كوريوليس موجات الضغط بنفس الطريقة التي تحرك بها مياه المحيط. في بحثهم ، استهدف الفريق نوعًا معينًا من الموجات - يسمى موجة جاذبية بوانكاريه - الموجودة في الستراتوسفير ، وهي منطقة من الغلاف الجوي على ارتفاع حوالي 10 كيلومترات. (إذا كانت نظريتهم صحيحة ، كما قال مارستون ، فإن هذه الموجات الطوبولوجية الملتوية يجب أن توجد في جميع أنحاء الغلاف الجوي وعلى سطح المحيط. إنها فقط أن لديهم أفضل فرصة للعثور عليهم فعليًا في بيئة الستراتوسفير الهادئة نسبيًا).

بدأوا بالتمشيط عبر مجموعة بيانات ERA5 من المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى ، والتي تأخذ بيانات الغلاف الجوي من الأقمار الصناعية وأجهزة الاستشعار الأرضية وبالونات الطقس وتجمعها مع نماذج الأرصاد الجوية. حدد الفريق موجات جاذبية بوانكاريه في مجموعات البيانات هذه. ثم قارنوا ارتفاع الأمواج بسرعة حركتها الأفقية. عندما قاموا بحساب الإزاحة بين تلك التموجات - يشار إليها بالمرحلة بين تذبذبات الموجة - رأى العلماء أن النسبة لم تكن هي نفسها دائمًا. كان يعتمد على الطول الدقيق للموجة. عندما رسموا المرحلة في "فضاء موجة موجية" مجردة - وهو أمر يتم إجراؤه في فيزياء الكم طوال الوقت ، ولكن ليس في كثير من الأحيان في علوم الأرض - رأوا أن الطور يدور حوله ويشكل دوامة: الالتواء في مراحل الموجات تشبه وظائف الموجة المتصاعدة في عازل طوبولوجي. على الرغم من كونها مجردة قليلاً ، إلا أنها كانت السمة المميزة التي كانوا يبحثون عنها. قال شو: "لقد أثبتنا بالفعل صحة النظرية".

قال كيلاديس ، الذي لم يكن جزءًا من فريق الدراسة ، إن هذه الموجات لم يتم تحليلها أبدًا بهذه الطريقة من قبل ووصف الدراسة بأنها "اختراق كبير". وكتب في رسالة بريد إلكتروني: "إحساسي أنها ستوفر منظورًا مختلفًا لموجات الغلاف الجوي التي من المحتمل أن تؤدي إلى رؤى جديدة". "نحن بحاجة إلى كل مساعدة يمكننا الحصول عليها!"

كوكب طوبولوجي

فتحت هذه الدراسات الحديثة الباب للعلماء لدراسة الطوبولوجيا في مجموعة كاملة من السوائل الأخرى. في السابق ، كانت هذه المواد خارج الحدود لأنها لم تشترك في ميزة رئيسية مع المواد الكمومية: الترتيب الدوري للذرات. قال "لقد فوجئت برؤية أن الطوبولوجيا يمكن تعريفها في أنظمة السوائل دون ترتيب دوري" انطون سوسلوف، عالم فيزياء نظرية في جامعة باث في المملكة المتحدة مستوحى من بحث عام 2017 ، سوسلوف ساعد في تطوير أدوات أخرى التي يمكن استخدامها لدراسة الطوبولوجيا في السوائل.

الآن ، يبحث علماء آخرون عن روابط بين حركات الجسيمات على أصغر نطاق وحركات السوائل على الكواكب - أو حتى المقاييس الأكبر -. يدرس الباحثون الطوبولوجيا في السوائل من البلازما الممغنطة إلى مجموعات الجسيمات ذاتية الدفع. يتساءل Delplace و Venaille عما إذا كانت ديناميكيات البلازما النجمية تشبه أيضًا عازلًا طوبولوجيًا. وعلى الرغم من أن مثل هذه الأفكار قد تساعد في يوم من الأيام الجيوفيزيائيين على التنبؤ بشكل أفضل بظهور أنماط الطقس على نطاق واسع على الأرض ، فإن العمل يساهم بالفعل في فهم أفضل للدور الذي تلعبه الطوبولوجيا في مجموعة واسعة من الأنظمة.

ديسمبر الماضي، ديفيد تونغ، عالم نظرية الكم في جامعة كامبريدج ، نظر في نفس معادلات السوائل التي استخدمها طومسون. لكن هذه المرة ، اعتبرهم من منظور طوبولوجي. انتهى تونغ بربط السوائل على الأرض بتأثير هول الكمي مرة أخرى ، ولكن من خلال نهج مختلف ، باستخدام لغة نظرية المجال الكمومي. عندما قام بتعديل المتغيرات في معادلات تدفق السوائل ، وجد أن هذه المعادلات كانت مكافئة لنظرية ماكسويل-تشيرن-سيمونز ، التي تصف كيفية تحرك الإلكترونات في مجال مغناطيسي. في هذا العرض الجديد لتدفق الأرض ، يتوافق ارتفاع الموجة مع مجال مغناطيسي وتتوافق سرعته مع مجال كهربائي. من خلال عمله ، تمكن تونغ من شرح وجود موجات كلفن الساحلية التي اكتشفها طومسون في الأصل.

معًا ، تسلط الأفكار الضوء على انتشار الطوبولوجيا في عالمنا المادي ، من المادة المكثفة إلى السوائل المتدفقة على الأرض. قال مارستون: "إن وجود هذه الأنواع من الأساليب المتوازية هو أمر رائع".

لا يزال من غير الواضح ما إذا كان التعامل مع الأرض كعزل طوبولوجي ، في الصورة الأكبر ، سيفتح ألغاز أنماط الطقس واسعة النطاق ، أو ربما يؤدي إلى اكتشافات جيوفيزيائية جديدة. في الوقت الحالي ، إنها إعادة تفسير بسيطة للظواهر الأرضية. لكن قبل عقود ، كان تطبيق الطوبولوجيا على المادة المكثفة بمثابة إعادة تفسير للظواهر ؛ اكتشف فون كليتزينج مرونة تيار الحافة في مادة كمومية ، لكن لم يكن لديه أي فكرة عن أن لها أي علاقة بالطوبولوجيا. في وقت لاحق ، أعاد فيزيائيون آخرون تفسير اكتشافه على أنه يحتوي على تفسير طوبولوجي ، والذي انتهى بكشف مجموعة من الظواهر الكمومية الجديدة ومراحل المادة.

قال سوسلوف: "هذا النوع من إعادة التفسير هو بحد ذاته تقدم كبير".