Simetri Patah dan Gelombang Atmosfer, 1

Hello, Selamat datang di wikitanic.com.

Bagian I: Gelombang yang Menyebar Secara Vertikal dan Jendela Stratosfer

Simetri adalah prinsip pengorganisasian yang kuat dalam fisika. Ini adalah konsep sentral dalam mekanika klasik dan kuantum dan memiliki peran kunci dalam model standar. Saat simetri dilanggar, hal menarik terjadi. Buku Simetri Hancur oleh Pieter Thyssen dan Arnout Ceulemans membahas banyak aspek dan contoh simetri rusak.

Dalam artikel ini (dan yang berikutnya) kita melihat beberapa konsekuensi dari simetri yang rusak dalam dinamika atmosfer. Secara khusus, kita melihat bagaimana pegunungan (yang diam!) dapat menghasilkan gelombang di atmosfer yang merambat ke arah barat. Kita akan melihat pemecahan simetri yang tak terduga ini dan mencoba menjelaskannya.

Lapangan Angin Stratosfer

Angin di stratosfer ke arah timur pada musim panas dan arah barat pada musim dingin (lihat Gambar). Ini memiliki pengaruh yang kuat pada perambatan energi ke atas dari troposfer (terendah 12 km) ke stratosfer. Sirkulasi di stratosfer musim dingin terdiri dari gelombang skala planet besar yang ditumpangkan pada aliran zona barat yang dikenal sebagai jet malam kutub. Gambar di bawah menunjukkan tekanan dan medan angin pada 250 hPa (sekitar 10 km). Gelombang memiliki komponen kuasi-stasioner tetapi juga komponen yang merambat ke arah barat.

Jendela Stratosfer

Asal usul pola ini pertama kali dipelajari oleh Jule Charney dan Philip Drazin, yang kesimpulannya diterbitkan pada tahun 1961. Charney dan Drazin menunjukkan bagaimana gelombang yang berasal dari troposfer dapat merambat secara vertikal hanya ketika angin zona rata-rata lemah, dan bertiup dari barat.

Charney dan Drazin menggunakan persamaan vortisitas potensial kuasi-geostrofik pada bidang beta dengan angin zona rata-rata yang tidak tergantung pada garis lintang tetapi bervariasi dengan ketinggian. Mereka mencari solusi dalam hal fungsi aliran

$\displaystyle \psi^\prime = \Psi(z) \exp [ i(kx+\ell y-kct)+z/2H] \,.$

Untuk aliran zona konstan $\ bar kamu$ persamaan direduksi menjadi

$\displaystyle \frac\mathrmd^2\Psi\mathrmdz^2 + n^2 \Psi = 0 \ \ \ \ \ (1)$

Di mana

Jika Kalian ingin mencari jawaban lainya, Baca Juga : Membuat kesalahan, bersama-sama | Matematika Warna Terbang

$\displaystyle n^2 = \fracN^2f^2\left[ \frac\beta\bar u-c - (k^2+\ell^2) \right] - \frac14H^2 \,.$

(semua notasi standar dalam literatur meteorologi) dengan $N$ menjadi, pada dasarnya, indeks bias. Untuk propagasi vertikal, kami membutuhkan $n^2 > 0″ class=”latex” />. Jadi, gelombang stasioner paksa hanya ditemukan jika</p> <p align=$ $\displaystyle 0 < \bar u < \frac\beta(k^2+\ell^2) + f^2/4 N^2H^2 \equiv U_c \,.$

Kuantitas $U_c$ disebut kecepatan kritis Rossby. Ini berarti bahwa gelombang stasioner yang merambat secara vertikal hanya dapat terjadi jika angin bertiup ke arah barat ( $\bar kamu > 0″ class=”latex” />) dan lebih lemah dari nilai kritis (<img decoding=$ ).

Di musim panas, angin di stratosfer mengarah ke timur ( $\bar kamu < 0$ ) dan gelombang planet semuanya terperangkap dan aliran dominan adalah pusaran simetris aksial. Di musim dingin, aliran rata-rata ke barat, dan terdiri dari pusaran sirkumpolar dengan gangguan seperti gelombang amplitudo besar yang ditumpangkan di atasnya. Sejak $K^2+\ell^2$ setidaknya untuk gelombang terbesar, inilah yang ditemukan di stratosfer musim dingin.

Amplitudo gelombang, serta struktur vertikalnya, bergantung pada nilai $n^2$ . Lebih detail ditemukan dalam makalah Charney dan Drazin dan dalam buku Holton (1975).

Analisis perambatan vertikal energi gelombang dilanjutkan dalam beberapa penelitian. Satu studi yang sangat menarik, oleh Isamu Hirota, akan diulas di Bagian II tulisan ini.

Sumber

$\peluru$ Charney, Jule dan Philip Drazin, 1961: Propagasi gangguan berskala planet dari atmosfer bawah ke atmosfer atas. J. Geofisika. Res., 66(1), 83–109.

$\peluru$ Hirota, Isamu, 1971: Eksitasi gelombang planet Rossby di stratosfer musim dingin dengan gaya periodik. J. Bertemu. Soc. Jepang, Melihat. II 49.6, 439–449.

$\peluru$ Holton, James, 1975: Meteorologi Dinamis Stratosfer dan Mesosfer. Bertemu. Monograf Vol. 15 No. 37., Amer. Bertemu. Soc. Dicetak ulang oleh Springer, 2016.

$\peluru$ Pieter Thyssen dan Arnout Ceulemans, 2017: Simetri Hancur. Universitas Oxford. Tekan. 498pp. ISBN: 978-0-19061-139-2.

Leave a Reply Cancel reply