La fisica quantistica può spiegare il clima della Terra

Trattando la Terra come un isolante topologico, uno stato di materia quantistica, i fisici hanno trovato una potente spiegazione per i movimenti tortuosi dell’aria e dei mari del pianeta.

Mentre gran parte dell’aria e dei mari del nostro pianeta sono agitati dal capriccio di una tempesta, alcune caratteristiche sono molto più regolari. All’equatore, nel caos, persistono onde lunghe migliaia di chilometri.

Sia nell’oceano che nell’atmosfera, queste onde gigantesche, chiamate onde Kelvin, viaggiano sempre verso est. E alimentano modelli meteorologici oscillanti come El Niño, un riscaldamento periodico delle temperature oceaniche che si ripresenta ogni pochi anni.

I geofisici si sono appoggiati a una spiegazione matematica per le onde Kelvin equatoriali sin dagli anni '60, ma per alcuni quella spiegazione non era del tutto soddisfacente. Questi scienziati volevano una spiegazione fisica più intuitiva per l'esistenza delle onde; volevano comprendere il fenomeno in termini di principi di base e rispondere a domande come: cosa c'è di così speciale nell'equatore da permettere a un'onda Kelvin di circolare lì? E “perché diavolo viaggia sempre verso est?” ha detto Joseph Biello, matematico applicato presso l'Università della California, Davis.

Nel 2017, tre fisici hanno applicato un diverso tipo di pensiero al problema. Hanno iniziato immaginando il nostro pianeta come un sistema quantistico e hanno finito per creare un’improbabile connessione tra meteorologia e fisica quantistica. A quanto pare, la rotazione della Terra devia il flusso dei fluidi in un modo analogo a come i campi magnetici distorcono i percorsi degli elettroni che si muovono attraverso materiali quantistici chiamati isolanti topologici. Se immaginiamo il pianeta come un gigantesco isolante topologico, hanno detto, possiamo spiegare l’origine delle onde Kelvin equatoriali.

Ma anche se la teoria funzionava, era pur sempre solo teorica. Nessuno lo aveva verificato direttamente mediante l'osservazione. Ora, in un nuovo preprint, un team di scienziati descrive la misurazione diretta delle torsioni delle onde atmosferiche: l’esatto tipo di prova necessaria per sostenere la teoria topologica. Il lavoro ha già aiutato gli scienziati a utilizzare il linguaggio della topologia per descrivere altri sistemi e potrebbe portare a nuove conoscenze sulle onde e sui modelli meteorologici sulla Terra.

"Questa è una conferma diretta di queste idee topologiche, raccolte da osservazioni reali", ha affermato Brad Marston, fisico della Brown University e autore del nuovo articolo. "In realtà viviamo all'interno di un isolante topologico."

Geoffrey Vallis, un matematico applicato dell'Università di Exeter nel Regno Unito, non coinvolto nel lavoro, ha affermato che il nuovo risultato rappresenta un progresso significativo che fornirà una "comprensione fondamentale" dei sistemi fluidi della Terra.

Ci sono due modi per iniziare questa storia. Il primo riguarda l'acqua e inizia con William Thomson, noto anche come Lord Kelvin. Nel 1879 notò che le maree nel Canale della Manica erano più forti lungo la costa francese che su quella inglese. Thomson si rese conto che questa osservazione poteva essere spiegata con la rotazione della Terra. Mentre il pianeta gira, genera una forza, chiamata forza di Coriolis, che fa ruotare i fluidi in ciascun emisfero in diverse direzioni: in senso orario a nord, in senso antiorario a sud. Questo fenomeno spinge l'acqua del Canale della Manica contro la costa francese, costringendo le onde a scorrere lungo la sua costa. Conosciute oggi come onde Kelvin costiere, queste onde sono state osservate in tutto il mondo, scorrendo in senso orario attorno alle masse continentali (con la costa sul lato destro dell'onda) nell'emisfero settentrionale e in senso antiorario nell'emisfero meridionale.

Ma ci sarebbe voluto quasi un secolo prima che gli scienziati scoprissero le increspature equatoriali molto più grandi e le collegassero alle onde Kelvin costiere.

Ciò accadde nel 1966, quando Taroh Matsuno, un meteorologo, stava modellando matematicamente il comportamento dei fluidi – sia aria che acqua – vicino all’equatore terrestre. Con i suoi calcoli Matsuno dimostrò che le onde Kelvin dovrebbero esistere anche all'equatore. Nel mare, invece di spingersi contro una costa, si scontravano con l'acqua dell'emisfero opposto, che ruotava nella direzione opposta. Secondo i calcoli di Matsuno, le onde equatoriali risultanti dovrebbero fluire verso est e dovrebbero essere enormi, lunghe migliaia di chilometri.