大陆大小的压力波在地球大气层中激起涟漪

大气是如此混乱，以至于即使用当今最复杂的气象算法也无法进行分析。但它的复杂性并没有阻止法国科学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯在18世纪末破解大气行为的一个简单方面。尽管从未见过全球天气图，但拉普拉斯发展了一种理论，预测大陆大小的压力波将周期性地席卷全球。

科罗拉多州立大学(Colorado State University)的大气科学家大卫·兰德尔(David Randall)说：“直到20世纪，纸笔大气模型还相当粗糙，但拉普拉斯成功地做到了这一点。”“我认为这令人震惊。”

拉普拉斯的想法发起了一项长达几个世纪的寻找这样的海浪的探索。但事实证明，这种振荡既温和又巨大，顽固地拒绝向一些物理学界的大人物透露自己。

终于，搜索结束了。一套精美的新气象数据集揭示了数百万气压计读数错过的东西：一组围绕地球奔跑的波浪，覆盖在一床由高压和低压区域拼凑而成的被子上。这一发现令人震惊地证明了一种古老的理论。

普林斯顿大学的地球物理学家利奥·唐纳(Leo Donner)没有参与这项研究，他说：“这真是一件非常漂亮的工作。”

拉普拉斯想知道月球对我们星球周围的空气的引力挤压到了什么程度，他开始分析由此可能出现的波浪类型。他把大气想象成光滑球体上的稀薄流体，他得出结论，重力应该把一类波固定在地面上，在那里它们或多或少会水平移动：拥抱地球表面的二维波动。这项新研究的合著者、夏威夷大学MāNoa名誉教授凯文·汉密尔顿说：“他真的是第一个想到这幅画的人。”“这是一个令人惊叹的洞察力。”

拉普拉斯没有给这些波命名，也没有详细研究它们的行为，但现代大气科学家现在将它们描述为“正常模式”-就像钟声一样产生共鸣的波。最简单的模式是在一个半球增加压力，在另一个半球降低压力。能量更高的模式会产生较小的高压区和低压区的方格图案。它们环游全球，主要是向东和向西，速度超过了大多数客机。

虽然拉普拉斯一开始考虑的是月球的影响，但海浪更多地来自地球的普遍混乱：暴风雨肆虐。风猛烈地吹进山脉。湍流进一步搅动了锅。来自这些集体滥用的部分能量激发了正常模式，这是大气唯一能做出反应的音调。兰德尔说：“这就像一只小猫在钢琴琴键上行走”--随机的敲击“可以告诉你钢琴里有什么弦。”

拉普拉斯把这种波可能存在的想法灌输到人们的头脑中，他的数学为物理学家提供了计算大气调谐的工具。但是有人能听到它的音符吗？

大约在拉普拉斯带着他的模型出来的同时，探险家和博物学家，包括亚历山大·冯·洪堡，注意到热带地区的压力每12小时上升和下降一次。每天的时间将变化与来自太阳的加热联系在一起，但理论家无法解释为什么影响如此之大。这个谜团一直困扰着科学家将近一个世纪，直到1882年开尔文勋爵猜测太阳的加热周期与拉普拉斯的“自由振荡”之一产生了共鸣。他认为太阳可以提供超大的推力，因为它产生的振动的频率恰好与拉普拉斯的振动之一相同，就像歌剧演员可以用正确的音调打碎酒杯一样。他的主张后来被证明是错误的研究人员在20世纪60年代确定了一个更复杂的现象放大了太阳的影响但这促使科学家们研究出拉普拉斯理论的定量细节，并准确地计算出正常模式应该有哪些频率。

符合这些预测的最低音符直到20世纪80年代才会进入科学记录-首先是日本气象学家松野太郎(Taroh Matsuno)的一项分析，后来是汉密尔顿和罗兰多·加西亚(Rolando Garcia)的另一项分析，目前在国家大气研究中心工作。汉密尔顿和加西亚偶然发现了理想的数据集：印度尼西亚殖民地的一个气象站，在一个世纪的大部分时间里进行了每小时一次的气压测量，在79年内只错过了两次读数。

这项记录既细致又漫长，研究人员依靠显微镜记录精细到百分之一英寸的水银位移。分析这个和其他数据集，汉密尔顿和加西亚只能分辨出最长的正常模式之一的痕迹。

直到去年，欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecast)发布了一组名为ERA5的数据集，较短的波浪似乎遥不可及。该产品融合了来自数千个地面站、气象气球和卫星的读数，并使用天气模型智能地填补空白。由此产生的数据集旨在重建从1979年到2016年每隔10公里间隔一次的全球气象站网络所捕获的相同信息，并每小时采集一次读数。

日本京都大学助理教授坂崎隆(Takatoshi Sakazaki)在ERA5问世时并没有寻找拉普拉斯的海浪。他最初关注的是温度变化，他认为压力峰值是不受欢迎的噪音。但当他意识到它们可能是正常模式时，他把它们放在了理论预期之上，瞧：“我发现它们几乎完全匹配，”他说。

Sakazaki不确定他的发现有多重要，所以他联系了汉密尔顿，汉密尔顿一直是他的博士后研究顾问，看看这些山峰是否可能会让他感兴趣。

他们确实是。汉密尔顿在1980年之前已经花了几十年的时间来筛选气象站的数据，以寻找最低大气色调的迹象。现在，在他的收件箱里，他突然有了完整交响乐的证据。

坂崎和汉密尔顿一起详细分析了海浪的全部三维结构；他们在7月刊的“大气科学杂志”上发表了他们的发现。他们的研究详细描述了20世纪80年代发现的为数不多的海浪以外的数十次海浪的行为。一些能量最高的波在围绕地球伸展时，会从高压循环到低压循环十几次；额外的几组波会因地球自转而旋转。他们所有的结果都与基于拉普拉斯方程的预测精确匹配。“我只是想象当我看到这个的时候，”汉密尔顿说，“拉普拉斯和开尔文以及那些人看到这样的东西会很兴奋。”

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是一名报道物理科学发展的记者。他的工作发表在“科学美国人”、“基督教科学箴言报”和“生活科学”等出版物上。