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Jul 18, 2023

양자물리학으로 지구의 날씨를 설명할 수 있다

물리학자들은 지구를 양자 물질의 상태인 위상학적 절연체로 취급함으로써 행성의 공기와 바다의 뒤틀린 움직임에 대한 강력한 설명을 찾았습니다.

물리학자들은 지구를 양자 물질의 상태인 위상학적 절연체로 취급함으로써 지구의 공기와 바다의 뒤틀린 움직임에 대한 강력한 설명을 발견했습니다.

우리 행성의 공기와 바다의 대부분은 폭풍우의 변덕에 따라 흔들리지만 일부 특징은 훨씬 더 규칙적입니다. 적도 부근에서는 천 킬로미터에 달하는 파도가 혼돈 속에서 지속됩니다.

바다와 대기 모두에서 켈빈파라고 불리는 이 거대한 파도는 항상 동쪽으로 이동합니다. 그리고 그들은 몇 년마다 반복되는 해수 온도의 주기적인 온난화인 엘니뇨와 같은 변동하는 기상 패턴을 촉진합니다.

지구물리학자들은 1960년대부터 적도 켈빈파에 대한 수학적 설명에 의존해 왔지만 일부 사람들에게는 그 설명이 완전히 만족스럽지 못했습니다. 이 과학자들은 파도의 존재에 대해 보다 직관적이고 물리적인 설명을 원했습니다. 그들은 기본 원리의 관점에서 현상을 이해하고 다음과 같은 질문에 대답하기를 원했습니다. 켈빈 파동이 순환할 수 있는 적도의 특별한 점은 무엇입니까? 그리고 "도대체 왜 항상 동쪽으로 이동하는 걸까요?" 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 응용수학자인 Joseph Biello는 말했습니다.

2017년에 세 명의 물리학자는 이 문제에 대해 다른 유형의 사고를 적용했습니다. 그들은 우리 행성을 양자 시스템으로 상상하기 시작했고, 결국 기상학과 양자물리학 사이에 있을 법하지 않은 연관성을 찾아냈습니다. 밝혀진 바와 같이, 지구의 자전은 자기장이 위상 절연체라고 불리는 양자 물질을 통해 이동하는 전자의 경로를 비틀는 것과 유사한 방식으로 유체의 흐름을 편향시킵니다. 행성을 거대한 위상학적 절연체로 상상하면 적도 켈빈파의 기원을 설명할 수 있다고 그들은 말했다.

그러나 이론이 효과가 있었음에도 불구하고 그것은 여전히 ​​이론적인 것에 불과했습니다. 누구도 이를 직접 관찰하여 검증하지 않았습니다. 이제 새로운 사전 출판물에서 과학자 팀은 비틀린 대기파의 직접적인 측정에 대해 설명합니다. 이는 위상 이론을 뒷받침하는 데 필요한 정확한 종류의 증거입니다. 이 작업은 이미 과학자들이 토폴로지 언어를 사용하여 다른 시스템을 설명하는 데 도움이 되었으며, 이는 지구의 파도와 날씨 패턴에 대한 새로운 통찰력으로 이어질 수 있습니다.

브라운 대학의 물리학자이자 새 논문의 저자인 브래드 마스턴(Brad Marston)은 “이것은 실제 관찰에서 수집한 이러한 위상학적 아이디어를 직접적으로 확인하는 것입니다.”라고 말했습니다. "우리는 실제로 위상 절연체 내부에 살고 있습니다."

이번 연구에 참여하지 않은 영국 엑서터 대학의 응용수학자 제프리 발리스(Geoffrey Vallis)는 이번 새로운 결과가 지구의 유체 시스템에 대한 “기본적인 이해”를 제공할 중요한 진전이라고 말했습니다.

이 이야기를 시작하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 첫 번째는 물에 관한 것이며 Lord Kelvin으로도 알려진 William Thomson에서 시작됩니다. 1879년에 그는 영국 해협의 조수가 영국 쪽보다 프랑스 해안선을 따라 더 강하다는 사실을 발견했습니다. Thomson은 이러한 관찰이 지구의 자전으로 설명될 수 있다는 것을 깨달았습니다. 행성이 회전하면서 각 반구의 유체가 서로 다른 방향(북쪽에서는 시계 방향, 남쪽에서는 시계 반대 방향)으로 소용돌이치는 코리올리 힘이라는 힘이 생성됩니다. 이 현상은 영국 해협의 물을 프랑스 해안선 위로 밀어 올려 파도가 해안을 따라 흐르도록 합니다. 현재 해안 켈빈파로 알려진 이 파도는 북반구에서는 대륙 주위(파도 오른쪽에 해안선 포함)를 시계 방향으로, 남반구에서는 시계 반대 방향으로 흐르면서 전 세계에서 관찰되었습니다.

그러나 과학자들이 훨씬 더 큰 적도의 잔물결을 발견하고 이를 해안의 켈빈파와 연결시키기까지는 거의 한 세기가 걸렸습니다.

1966년에 기상학자인 마츠노 타로(Taroh Matsuno)가 지구 적도 부근의 유체(공기와 물 모두)의 거동을 수학적으로 모델링하던 중에 그런 일이 일어났습니다. 마츠노는 그의 계산을 통해 켈빈파가 적도에도 존재해야 한다는 것을 보여주었습니다. 바다에서는 해안선에 부딪히는 대신 반대 방향으로 회전하는 반대쪽 반구의 물과 충돌합니다. 마츠노의 수학에 따르면, 그 결과로 발생하는 적도파는 동쪽으로 흘러야 하며 길이가 수천 킬로미터에 달할 정도로 거대해야 합니다.