Stel je een enorme mok koude voor, dichte room met hete koffie erop gegoten. Plaats het nu op een draaitafel. Overuren, de vloeistoffen zullen langzaam in elkaar mengen, en de warmte van de koffie zal uiteindelijk de bodem van de mok bereiken. Maar zoals de meesten van ons ongeduldige koffiedrinkers weten, het door elkaar roeren van de lagen is een efficiëntere manier om de warmte te verdelen en te genieten van een drank die niet gloeiend heet of ijskoud is. De sleutel is de wervelingen, of draaikolken, die zich in de turbulente vloeistof heeft gevormd.

"Als je gewoon wachtte om te zien of moleculaire diffusie het deed, het zou een eeuwigheid duren en je krijgt nooit je koffie en melk bij elkaar, " zegt Raffaele Ferrari, Cecil en Ida Green hoogleraar oceanografie aan het MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS).

Deze analogie helpt bij het verklaren van een nieuwe theorie over de fijne kneepjes van het klimaatsysteem op aarde - en andere roterende planeten met atmosferen en/of oceanen - geschetst in een recent PNAS-artikel van Ferrari en Basile Gallet, een gastonderzoeker van EAPS van Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA Saclay, Frankrijk.

Het lijkt misschien intuïtief dat de zonovergoten evenaar van de aarde heet is, terwijl de relatief zonarme polen koud zijn, met een gradiënt van temperaturen ertussen. Echter, de werkelijke overspanning van die temperatuurgradiënt is relatief klein in vergelijking met wat het anders zou kunnen zijn vanwege de manier waarop het aardse systeem fysiek warmte over de hele wereld naar koelere streken transporteert, het modereren van de uitersten.

Anders, "je zou ondraaglijk hoge temperaturen hebben op de evenaar en [de gematigde breedtegraden] zou bevroren zijn, "zegt Ferrari. "Dus, het feit dat de planeet bewoonbaar is, zoals we het kennen, heeft te maken met warmtetransport van de evenaar naar de polen."

Nog, ondanks het belang van de wereldwijde warmtestroom voor het behoud van het hedendaagse klimaat op aarde, de mechanismen die het proces aansturen worden niet volledig begrepen. Dat is waar het recente werk van Ferrari en Gallet van pas komt:hun onderzoek geeft een wiskundige beschrijving van de fysica die ten grondslag ligt aan de rol die mariene en atmosferische wervels spelen bij het herverdelen van die warmte in het mondiale systeem.

Het werk van Ferrari en Gallet bouwt voort op dat van een andere MIT-professor, wijlen meteoroloog Norman Phillips, WHO, in 1956, stelde een reeks vergelijkingen voor, het "Phillips-model, " om het wereldwijde warmtetransport te beschrijven. Het model van Phillips stelt de atmosfeer en de oceaan voor als twee lagen van verschillende dichtheid op elkaar. Hoewel deze vergelijkingen de ontwikkeling van turbulentie vastleggen en de temperatuurverdeling op aarde met relatieve nauwkeurigheid voorspellen, ze zijn nog steeds erg complex en moeten met computers worden opgelost. De nieuwe theorie van Ferrari en Gallet biedt analytische oplossingen voor de vergelijkingen en voorspelt kwantitatief de lokale warmteflux, energie die de wervelingen aandrijft, en grootschalige stroomkarakteristieken. En hun theoretisch kader is schaalbaar, wat betekent dat het werkt voor wervelingen, die kleiner en dichter zijn in de oceaan, evenals cyclonen in de atmosfeer die groter zijn.

Het proces in gang zetten

De fysica achter wervelingen in je koffiekopje verschilt van die in de natuur. Vloeibare media zoals de atmosfeer en de oceaan worden gekenmerkt door variaties in temperatuur en dichtheid. Op een draaiende planeet, deze variaties versnellen sterke stromingen, terwijl wrijving - op de bodem van de oceaan en de atmosfeer - ze vertraagt. Dit getouwtrek resulteert in instabiliteit van de stroming van grootschalige stromingen en produceert onregelmatige turbulente stromingen die we ervaren als steeds veranderend weer in de atmosfeer.

Wervels - gesloten cirkelvormige stromen van lucht of water - worden uit deze instabiliteit geboren. In de atmosfeer, ze worden cyclonen en anticyclonen genoemd (de weerpatronen); in de oceaan worden ze wervelingen genoemd. In beide gevallen, ze zijn van voorbijgaande aard, geordende formaties, enigszins grillig ontstaan ​​en in de loop van de tijd verdwijnen. Terwijl ze uit de onderliggende turbulentie draaien, zij, te, worden gehinderd door wrijving, waardoor ze uiteindelijk verdwijnen, die de overdracht van warmte van de evenaar (de bovenkant van de hete koffie) naar de polen (de onderkant van de room) voltooit.

Uitzoomen naar het grotere plaatje

Hoewel het aardsysteem veel complexer is dan twee lagen, het analyseren van warmtetransport in het vereenvoudigde model van Phillips helpt wetenschappers de fundamentele fysica op te lossen. Ferrari en Gallet ontdekten dat het warmtetransport door wervelingen, hoewel richting chaotisch, uiteindelijk sneller warmte naar de polen verplaatst dan een soepeler stromend systeem zou doen. Volgens Ferrari "draaikolken doen het werk van de hond door warmte te verplaatsen, niet ongeorganiseerde beweging (turbulentie)."

Het zou onmogelijk zijn om elke wervelingsfunctie die zich vormt en verdwijnt wiskundig te verklaren, dus ontwikkelden de onderzoekers vereenvoudigde berekeningen om de algemene effecten van vortexgedrag te bepalen, gebaseerd op breedtegraad (temperatuurgradiënt) en wrijvingsparameters. Aanvullend, ze beschouwden elke vortex als een enkel deeltje in een gasvloeistof. Toen ze hun berekeningen in de bestaande modellen verwerkten, de resulterende simulaties voorspelden de werkelijke temperatuurregimes van de aarde redelijk nauwkeurig, en onthulde dat zowel de vorming als de functie van wervels in het klimaatsysteem veel gevoeliger zijn voor wrijvingsweerstand dan verwacht.

Ferrari benadrukt dat alle modelleringsinspanningen vereenvoudigingen vereisen en geen perfecte weergaven zijn van natuurlijke systemen - zoals in dit geval, met de atmosfeer en oceanen voorgesteld als eenvoudige tweelaagse systemen, en er wordt geen rekening gehouden met de bolvorm van de aarde. Zelfs met deze nadelen, De theorie van Gallet en Ferrari heeft de aandacht getrokken van andere oceanografen.

"Sinds 1956, meteorologen en oceanografen hebben geprobeerd, en mislukt, om dit Philips-model te begrijpen, " zegt Bill Young, hoogleraar fysische oceanografie bij Scripps Institution of Oceanography, "Het artikel van Gallet en Ferrari is de eerste succesvolle deductieve voorspelling van hoe de warmtestroom in het Phillips-model varieert met de temperatuurgradiënt."

Ferrari zegt dat het beantwoorden van fundamentele vragen over hoe warmtetransport functioneert, wetenschappers in staat zal stellen om het klimaatsysteem van de aarde meer in het algemeen te begrijpen. Bijvoorbeeld, in het diepe verleden van de aarde, er waren tijden dat onze planeet veel warmer was, toen krokodillen in het noordpoolgebied zwommen en palmbomen zich uitstrekten tot in Canada, en ook tijden dat het veel kouder was en de middelste breedtegraden bedekt waren met ijs. "Het is duidelijk dat warmteoverdracht in verschillende klimaten kan veranderen, dus je zou het willen kunnen voorspellen, " zegt hij. "Het is al heel lang een theoretische vraag in de hoofden van mensen."

Aangezien de gemiddelde temperatuur op aarde de afgelopen 100 jaar met meer dan 1 graad Celsius is gestegen, en ligt op schema om dat in de volgende eeuw ver te overtreffen, de noodzaak om het klimaatsysteem van de aarde te begrijpen - en te voorspellen - is cruciaal geworden als gemeenschappen, regeringen, en de industrie passen zich aan de huidige veranderende omgeving aan.

"Ik vind het buitengewoon de moeite waard om de fundamenten van turbulente stromingen toe te passen op zo'n actueel probleem, " zegt Gallet, "Op lange termijn, deze op fysica gebaseerde benadering zal de sleutel zijn om de onzekerheid in klimaatmodellering te verminderen."

In de voetsporen treden van meteorologische reuzen zoals Norman Phillips, Jule Charney, en Peter Steen, die baanbrekende klimaattheorieën ontwikkelde aan het MIT, ook dit werk sluit aan bij een vermaning van Albert Einstein:"Out of clutter, vind eenvoud."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.