Tänk dig en massiv mugg kall, tät grädde med varmt kaffe hällt ovanpå. Lägg den nu på ett roterande bord. Över tid, vätskorna blandas långsamt in i varandra, och värme från kaffet når så småningom botten av muggen. Men som de flesta av oss otåliga kaffedrickare vet, att röra ihop lagren är ett mer effektivt sätt att fördela värmen och njuta av en dryck som inte är skållande varm eller iskall. Nyckeln är virvlarna, eller virvlar, som bildades i den turbulenta vätskan.

"Om du bara väntade på att se om molekylär diffusion gjorde det, det skulle ta evigheter och du får aldrig ditt kaffe och mjölk tillsammans, "säger Raffaele Ferrari, Cecil och Ida Green professor i oceanografi vid MIT:s Department of Earth, Atmosfär och planetvetenskap (EAPS).

Denna analogi hjälper till att förklara en ny teori om de invecklade klimatsystemet på jorden - och andra roterande planeter med atmosfärer och/eller hav - som beskrivs i ett nyligen PNAS -papper av Ferrari och Basile Gallet, en gästforskare från EAPS från Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA Saclay, Frankrike.

Det kan verka intuitivt att jordens solbakade ekvatorn är varm medan de relativt solberövade polerna är kalla, med en temperaturgradient däremellan. Dock, den faktiska intervallet för den temperaturgradienten är relativt litet jämfört med vad det annars kan vara på grund av hur jordsystemet fysiskt transporterar värme runt om i världen till svalare områden, dämpa ytterligheterna.

Annat, "du skulle ha outhärdligt varma temperaturer vid ekvatorn och [de tempererade breddgraderna] skulle frysas, "säger Ferrari." Så, det faktum att planeten är beboelig, som vi vet det, har att göra med värmetransport från ekvatorn till polerna. "

Än, trots betydelsen av globalt värmeflöde för att upprätthålla det moderna klimatet på jorden, mekanismerna som driver processen är inte helt förstådda. Det är där Ferrari och Gallets senaste arbete kommer in:deras forskning beskriver en matematisk beskrivning av fysiken som ligger till grund för den roll som marina och atmosfäriska virvlar spelar för att omfördela den värmen i det globala systemet.

Ferrari och Gallets arbete bygger på det från en annan MIT -professor, den avlidne meteorologen Norman Phillips, WHO, 1956, föreslog en uppsättning ekvationer, "Phillips -modellen, "för att beskriva global värmetransport. Phillips modell representerar atmopshere och havet som två lager med olika densitet ovanpå varandra. Medan dessa ekvationer fångar utvecklingen av turbulens och förutsäger temperaturfördelningen på jorden med relativ noggrannhet, de är fortfarande mycket komplexa och måste lösas med datorer. Den nya teorin från Ferrari och Gallet ger analytiska lösningar på ekvationerna och förutsäger kvantitativt lokalt värmeflöde, energi som driver virvlarna, och storskaliga flödesegenskaper. Och deras teoretiska ramverk är skalbara, vilket betyder att det fungerar för virvlar, som är mindre och tätare i havet, samt cykloner i atmosfären som är större.

Att sätta igång processen

Fysiken bakom virvlar i din kaffekopp skiljer sig från naturen. Flytande medier som atmosfären och havet kännetecknas av variationer i temperatur och densitet. På en roterande planet, dessa variationer påskyndar starka strömmar, medan friktion - på botten av havet och atmosfären - bromsar dem. Denna dragkamp resulterar i instabilitet i flödet av storskaliga strömmar och producerar oregelbundna turbulenta flöden som vi upplever som ständigt föränderligt väder i atmosfären.

Virvlar - slutna cirkulära flöden av luft eller vatten - är födda av denna instabilitet. I atmosfären, de kallas cykloner och anticykloner (vädermönstren); i havet kallas de virvlar. I båda fallen, de är övergående, beställda formationer, framträder något oregelbundet och försvinner med tiden. När de snurrar ur den underliggande turbulensen, de, för, hindras av friktion, orsakar deras slutliga försvinnande, som slutför överföringen av värme från ekvatorn (toppen av det varma kaffet) till polerna (botten av grädden).

Zooma ut till den större bilden

Medan jordsystemet är mycket mer komplext än två lager, att analysera värmetransport i Phillips förenklade modell hjälper forskare att lösa den grundläggande fysiken i spel. Ferrari och Gallet fann att värmetransporten på grund av virvlar, även om det är kaosriktat, slutar flytta värme till polerna snabbare än ett mer jämnt flödande system skulle. Enligt Ferrari, "virvlar gör hundarbetet med att flytta värme, inte oorganiserad rörelse (turbulens). "

Det skulle vara omöjligt att matematiskt redogöra för varenda virvelfunktion som bildas och försvinner, så forskarna utvecklade förenklade beräkningar för att bestämma de övergripande effekterna av virvelbeteende, baserat på latitud (temperaturgradient) och friktionsparametrar. Dessutom, de betraktade varje virvel som en enda partikel i en gasvätska. När de införlivade sina beräkningar i de befintliga modellerna, de resulterande simuleringarna förutsade jordens faktiska temperaturregimer ganska exakt, och avslöjade att både virvlarnas bildning och funktion i klimatsystemet är mycket känsligare för friktionsmotstånd än väntat.

Ferrari betonar att alla modelleringsinsatser kräver förenklingar och inte är perfekta representationer av naturliga system - som i detta fall, med atmosfären och haven representerade som enkla tvåskiktssystem, och jordens sfäricitet redovisas inte. Även med dessa nackdelar, Gallet och Ferraris teori har uppmärksammats av andra oceanografer.

"Sedan 1956, meteorologer och oceanografer har försökt, och misslyckades, för att förstå denna Phillips -modell, "säger Bill Young, professor i fysisk oceanografi vid Scripps Institution of Oceanography, "Papperet av Gallet och Ferrari är den första framgångsrika deduktiva förutsägelsen om hur värmeflöde i Phillips -modellen varierar med temperaturgradient."

Ferrari säger att svaret på grundläggande frågor om hur värmetransport fungerar kommer att göra det möjligt för forskare att mer allmänt förstå jordens klimatsystem. Till exempel, i jordens djupa förflutna, det fanns tillfällen då vår planet var mycket varmare, när krokodiler simmade i arktis och palmer sträckte sig upp i Kanada, och även tider då det var mycket kallare och mittbredderna var täckta av is. "Värmeöverföring kan helt klart förändras i olika klimat, så du vill kunna förutsäga det, "säger han." Det har länge varit en teoretisk fråga hos människor.

Eftersom den globala medeltemperaturen har ökat mer än 1 grad Celsius under de senaste 100 åren, och är på väg att långt överstiga det under nästa sekel, behovet av att förstå - och förutsäga - jordens klimatsystem har blivit avgörande som samhällen, regeringar, och industrin anpassar sig till den nuvarande förändrade miljön.

"Jag tycker att det är oerhört givande att tillämpa grunderna för turbulenta flöden på en så aktuell fråga, säger Gallet, "I det långa loppet, detta fysikbaserade tillvägagångssätt kommer att vara nyckeln till att minska osäkerheten i klimatmodellering. "

I fotspåren efter meteorologigiganter som Norman Phillips, Jule Charney, och Peter Stone, som utvecklat säsongsbetonade klimatteorier vid MIT, även detta verk följer en förmaning från Albert Einstein:"Ur röran, hitta enkelhet. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.