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Jul 18, 2023

量子物理学は地球の天気を説明できる

物理学者は、地球をトポロジカル絶縁体、つまり量子物質の状態として扱うことによって、地球の大気と海のねじれ運動の強力な説明を発見しました。

物理学者は、地球をトポロジカル絶縁体、つまり量子物質の状態として扱うことによって、地球の大気と海のねじれ運動の強力な説明を発見した。

私たちの惑星の大気と海の多くは嵐の気まぐれにかき混ぜられていますが、いくつかの特徴ははるかに規則的です。 赤道では、長さ千キロメートルの波が混沌の中に持続します。

海洋でも大気中でも、ケルビン波と呼ばれるこの巨大な波は常に東に向かって進みます。 そして、数年ごとに周期的に起こる海水温の上昇であるエルニーニョなど、変動する気象パターンを促進します。

地球物理学者は 1960 年代以来、赤道ケルビン波の数学的説明に頼ってきましたが、一部の人にとって、その説明は完全に満足のいくものではありませんでした。 これらの科学者たちは、波の存在についてのより直感的で物理的な説明を求めていました。 彼らはこの現象を基本原理の観点から理解して、次のような質問に答えたいと考えていました。ケルビン波が赤道を循環できるのは、赤道の何がそんなに特別なのでしょうか? そして、「なぜいつもそれは東に進むのですか？」 カリフォルニア大学デービス校の応用数学者ジョセフ・ビエロ氏は言う。

2017 年、3 人の物理学者がこの問題に対して異なるタイプの考え方を適用しました。 彼らは私たちの惑星を量子システムとして想像することから始めましたが、最終的には気象学と量子物理学の間にありそうもない関係を結びつけることになりました。 結局のところ、地球の自転は、磁場がトポロジカル絶縁体と呼ばれる量子材料中を移動する電子の経路をねじるのと同じような方法で、流体の流れを偏向させます。 惑星を巨大なトポロジカル絶縁体として想像すれば、赤道のケルビン波の起源を説明できると彼らは言いました。

しかし、たとえ理論が機能したとしても、それはまだ理論上にすぎませんでした。 それを直接観察的に検証した人は誰もいませんでした。 今回、新しいプレプリントで、科学者チームは、トポロジカル理論を裏付けるために必要な正確な種類の証拠である、大気のねじれ波の直接測定について説明しています。 この研究はすでに、科学者がトポロジーの言語を使用して他のシステムを記述するのに役立っており、地球上の波や気象パターンに関する新たな洞察につながる可能性があります。

「これは、実際の観察から集められた、これらのトポロジカルなアイデアの直接の裏付けです」と、ブラウン大学の物理学者であり、新しい論文の著者であるブラッド・マーストンは述べた。 「私たちは実際、トポロジカル絶縁体の中に住んでいます。」

この研究には関与していない英国のエクセター大学の応用数学者、ジェフリー・ヴァリス氏は、この新たな成果は地球の流体システムの「基礎的な理解」を提供する重要な進歩であると述べた。

この物語を始めるには 2 つの方法があります。 最初は水に関するもので、ケルビン卿としても知られるウィリアム・トムソンから始まります。 1879 年、彼はイギリス海峡の潮流がイギリス側よりもフランスの海岸線に沿って強いことに気づきました。 トムソンは、この観察が地球の自転によって説明できることに気づきました。 惑星が自転すると、コリオリ力と呼ばれる力が発生し、各半球の流体が異なる方向、つまり北では時計回り、南では反時計回りに渦を巻きます。 この現象により、イギリス海峡の水がフランスの海岸線に押し上げられ、海岸に沿って波が流れます。 現在は沿岸ケルビン波として知られているこれらの波は、それ以来世界中で観察されており、北半球では時計回りに（海岸線が波の右側にある）陸塊の周りを流れ、南半球では反時計回りに流れます。

しかし、科学者たちがはるかに大きな赤道の波紋を発見し、それを沿岸のケルビン波と結び付けるまでには、ほぼ1世紀かかりました。

それは 1966 年、気象学者の松野太郎が地球の赤道付近で空気と水の両方の流体の挙動を数学的にモデル化していたときに起こりました。 松野氏は計算により、赤道にもケルビン波が存在するはずであることを示した。 海では、海岸線に突き当たるのではなく、逆方向に回転する反対側の半球からの水と衝突します。 松野氏の数学によると、結果として生じる赤道波は東に向かって流れ、その長さは数千キロメートルと巨大になるはずだ。