كشفت دراسة علمية حديثة أن الغلاف الجوي للأرض لا يتحرك بصورة عشوائية، بل يحتوي على أنماط من الموجات الرنانة واسعة النطاق الت تنتشر حول الكوكب. في ظاهرة تشبه إلى حد كبير اهتزاز الجرس وإصداره نغمات مختلفة.
وتعيد هذه النتائج إحياء فرضية علمية تعود إلى القرن التاسع عشر، عندما تنبأ عالم الرياضيات والفيزياء الفرنسي بيير سيمون لابلاس بوجود أنماط موجية يمكن أن تنتشر حول الأرض نتيجة لديناميكيات الغلاف الجوي ودوران الكوكب.
موجات في الغلاف الجوي
كما تؤدي قوى الجاذبية، ولا سيما تأثير القمر والشمس، إلى تحريك مياه المحيطات وإحداث ظاهرة المد والجزر، فإنها تؤثر أيضًا في الغلاف الجوي. وتنتج هذه التأثيرات، إلى جانب عوامل أخرى مثل التسخين والضغط الجوي، موجات تنتشر في الهواء لمسافات شاسعة.
ولا تشبه هذه الموجات أمواج البحار بصورة مباشرة، إذ تتمثل في تغيرات واسعة النطاق في الضغط وحركة الهواء. وقد تمتد بعض هذه الموجات لآلاف الكيلومترات، بينما تستغرق ساعات عدة للانتقال حول أجزاء كبيرة من الكوكب.
وكانت الدراسات السابقة قد رصدت أنواعًا مختلفة من هذه الموجات على نطاقات محلية وزمنية محدودة. إلا أن توفر قواعد بيانات عالمية طويلة المدى أتاح للباحثين دراسة سلوكها على مستوى الأرض بأكملها.
بيانات من 38 عامًا
اعتمد الباحثان تاكاتوشي ساكازاكي من جامعة كيوتو وكيفين هاميلتون من جامعة هاواي على بيانات إعادة التحليل المناخي ERA5 التابعة للمركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى. لدراسة الضغط الجوي حول العالم خلال الفترة الممتدة من 1979 إلى 2016.
وتوفر قاعدة البيانات قياسات وإعادة تحليل لمتغيرات الغلاف الجوي على فترات زمنية دقيقة. الأمر الذي مكّن الباحثين من تتبع أنماط الموجات الجوية على نطاق عالمي.
وركزت الدراسة على موجات ذات فترات تتراوح بين نحو ساعتين ويومين، وأطوال موجية تتجاوز 5 آلاف كيلومتر. ما سمح برصد أنماط واسعة النطاق يصعب تحديدها من خلال البيانات المحلية وحدها.
الغلاف الجوي يرن مثل الجرس
أظهرت النتائج وجود مجموعات من الموجات التي تتوافق تردداتها وسرعاتها مع أنماط رنين متوقعة نظريًا. وعندما تتوافق حركة الموجة مع الخصائص الديناميكية للغلاف الجوي، يمكن أن تتشكل أنماط مستقرة تمتد حول الكوكب. على غرار الطريقة التي ينتج بها الجرس نغمات محددة عندما يهتز.
ورصد الباحثون كذلك أنماطًا متعددة من الرنين تنتشر حول المناطق الاستوائية. إلى جانب الموجات الجوية المرتبطة بتأثيرات الشمس والقمر ودوران الأرض.
وقال كيفين هاميلتون إن تحديد هذه الأنماط في بيانات الرصد وإعادة التحليل. يمثل دليلًا على أن الغلاف الجوي يمتلك بالفعل أنماط رنين شبيهة برنين الجرس.
كما لاحظ الفريق فروقًا محدودة بين بعض الترددات التي تم رصدها والترددات التي توقعتها الحسابات النظرية. ويرتبط ذلك، وفق تفسير الباحثين، بتفاعل الموجات وتقاربها أثناء انتقالها. الأمر الذي يمكن أن يؤدي إلى تغيرات طفيفة في تردداتها.
فرضية لابلاس تعود إلى الواجهة
تعود جذور هذه الفكرة إلى أعمال لابلاس في القرن التاسع عشر. إذ افترض أن الغلاف الجوي يمكن أن يحتوي على حركات موجية ذات طاقة محصورة بالقرب من سطح الأرض. وأن خصائصها الأفقية يمكن أن تشبه، من بعض الجوانب الرياضية، سلوك الموجات في محيط عالمي.
وتوفر النتائج الحديثة فرصة لمقارنة هذه التنبؤات النظرية القديمة بالبيانات الفعلية التي جمعت على مدى عقود. وأشار ساكازاكي إلى أن الترددات والأنماط العالمية للموجات السريعة الحركة تتوافق بدرجة جيدة مع التوقعات النظرية.
ولا تقتصر أهمية هذه النتائج على تأكيد جانب من النظريات الكلاسيكية في علوم الغلاف الجوي. إذ يمكن أن تساعد دراسة هذه الأنماط على فهم أفضل لكيفية انتقال الطاقة والحركة في الغلاف الجوي.
ما أهمية اكتشاف الرنين الجوي؟
يمكن أن يكون لفهم الرنين الجوي دور في دراسة عدد من العمليات المرتبطة بالطقس والمناخ. إذ تؤثر حركة الموجات واسعة النطاق في توزيع الضغط الجوي والطاقة، وقد ترتبط بتغيرات في أنماط الدوران الجوي.
ويرى الباحثون أن دراسة هذه الأنماط بصورة أكثر دقة قد تفتح المجال أمام تطوير نماذج أفضل لفهم العمليات الجوية وتحسين نمذجة الطقس والمناخ. خصوصًا من خلال تحديد كيفية تفاعل الموجات المختلفة ومصادر الطاقة التي تحفزها.
وتقدم الدراسة، في النهاية، صورة جديدة للغلاف الجوي باعتباره نظامًا ديناميكيًا واسعًا يمكن أن يهتز ويرن بأنماط محددة. تمامًا كما تنتج الآلات الموسيقية والأجراس ترددات مختلفة عند اهتزازها، لكن على مقياس يمتد حول كوكب الأرض بأكمله.