Sešli se moudří světa a přikázali Slunci, o kolik méně má ohřívat naši planetu, aniž by pociťovali sebemenší náznak pokory před „matkou přírodou“. Málo z nich asi ví, že existuje spousta doteď neznámých mechanismů, které mohou ovlivňovat klima i počasí a které zatím do klimatických modelů nemohly být zahrnuty. Třeba ten dnešní. Pak následuje skok do starověku do slavné Babylonské říše. Ukazuje se, že oni ti naši předkové byli daleko chytřejší než by se nám mohlo zdát. A co vesmír? Víme o něm hodně nebo jen malinko? b) je správná odpověď.

Co jsme netušili o atmosféře

Doteď neznámý druh vlnění objevil vysoko nad Antarktidou tým fyziků z Univerzity of Colorado v Boulderu. Tyto vlny mají extrémně dlouhou vlnovou délku a zřejmě se vyskytují nepřetržitě. Během pětiletého studia fyzici zjistili, že tyto vlny ovlivňují počasí a klima a dokonce i pozemní komunikační sítě.

Výzkum probíhal v Antarktidě na Arrival Heights Observatory v blízkosti stanice McMurdo. K měření sloužil systém LIDAR, který byl v roce 2010 důkladně zmodernizován. Zkratka LIDAR znamená Light Imaging Detection and Rangigng. Metoda má velmi široké uplatnění v mnoha oborech, od stavebnictví až po přesná fyzikální měření. Pomocí této teď už důkladně propracované metody se zjišťuje například přítomnost některých atomů v atmosféře, určují se tvary neznámých objektů, zjišťují se jinak obtížně měřitelné vzdálenosti a podobně. V Antarktidě slouží LIDAR k měření teploty atmosféry pomocí pulsů světelného záření. Zdokonalené zařízení je schopno provádět dlouhodobá měření teploty atmosféry, jejího složení a dynamických procesů, které v atmosféře probíhají.

I když byla měření ve středních a horních vrstvách atmosféry v Antarktidě prováděna už v osmdesátých letech minulého století, vlny trvající 3 až 10 hodin zůstaly utajeny. Nový pohled odstartovala série měření s mimořádně vysokým rozlišením u stanice McMurdo.

Šéf skupiny Chen spolu s kolegy prováděl měření ve všech ročních obdobích, pokud to počasí dovolilo, po dobu pěti let. Začali v prosinci 2010, soustředili se ale na údaje získané vždy v červnu. V zimních měsících od května do září je totiž velmi nízké rušivé pozadí, které způsobuje sluneční záření. To umožňuje měřit s vysokou rozlišovací schopností a v největším rozsahu teplot. A počasí je pro tato měření nejpříznivější právě v červnu.

Už z hrubých nezpracovaných měření je vidět, že se v atmosféře vyskytují teplotní vlny. Data odhalují nepřetržité vlnění teploty v mezosféře a spodní termosféře. Pro pochopení významu zdánlivě jednoduchých výsledků by bylo dobré si zopakovat, jak je ta naše atmosféra vlastně rozvrstvená. Většina z nás má totiž intuitivní dojem, vzniklý z cestování letadlem, že teplota s výškou klesá a že tam nahoře je čím dál tím větší zima. Jenže chyba lávky. My žijeme v troposféře, ta je vysoká v našich zeměpisných šířkách kolem 11 km. Následuje tropopauza, v níž mizí pokles teploty s výškou. Další na řadě je stratosféra, která dosahuje do výšky kolem 50 km. Teplota mezi 11. až 30. kilometrem se téměř nemění a je kolem –55 oC. Mezi 30. a 50. kilometrem teplota téměř lineárně roste až k nule. Stratopauza je tenká vrstva mezi stratosfétou a mezosférou. Mezosféra je tlustá asi 30 km a teplota zde opětovně klesá od nuly až po téměř –90 oC. A už se dostáváme k pro nás dnes nejdůležitější vrstvě, kterou je termosféra. Je to vrstva zemské atmosféry ve výškách od 80 do 450 km nad zemí, kde teplota vzduchu s výškou stoupá. Sluneční ultrafialové záření je zde absorbováno kyslíkem a dusíkem, dochází k jejich disociaci a ionizaci. Teplota může překročit 1 000 oC. V maximu sluneční činnosti dosahuje až 1 600 oC. Nejde ale o teplotu hmoty ve smyslu, jak ji normálně vnímáme, protože střední volná dráha částic je mnoho kilometrů. Jde o tak zvanou kinetickou teplotu.

Teplotní údaje ze stratosféry až po dolní termosféru (přibližně 30 až 115 km nad zemským povrchem) vykazují trvalé a velmi výrazné teplotní vlny s periodou přibližně 3 až 10 hodin a vertikální vlnovou délkou přibližně 20 až 30 km. Všimněte si slova vertikální, to znamená šíření shora dolů. Tyto vlny se velmi podstatně liší od vlnění pozorovaného kdekoliv jinde na Zemi. Tam jsou totiž většinou dominantní vlny způsobené slapovými silami, které mají periodu 12 a 24 hodin.

Tyto tepelné vlny existují nepřetržitě. Sběr dat probíhal na příklad souvisle tři dny uprostřed antarktické zimy 2014 a vlny se vyskytovaly po celý tento interval. Během 65 hodin bylo zaznamenáno pět různých vln, které trvaly 30 až 60 hodin a jejichž perioda byla mezi 3,4 až 10,6 hodiny.

Data nashromážděná za 323 hodin červnových měření po dobu pěti let odhalila 35 různých vln. Nejčastější periody byly 3,5; 5; 6; 6,5 nebo 7,5 hodiny. Každá z nich se vyskytovala minimálně čtvrtinu sledovaného času. Vlny měly vertikální fázové rychlosti 0,8 až 2 m/s a všechny měly dlouhé časové rozpětí. Většina trvala nejméně 10 hodin a některé dokonce více než 60 hodin. Ze všech dat nakonec vyplývá, že se tyto nové vlny vyskytují nepřetržitě. To je velmi podstatný závěr, protože poskytuje vzácnou šanci přidat nový pohled na velmi málo prozkoumanou část zemské atmosféry. Teplotní vlny jsou dominantním mechanismem pro přenos energie ve střední a horní části atmosféry. Tyto nově objevené vlny ovládají atmosférickou cirkulaci v jejích horních vrstvách. Vzhledem k tomu, že je klimatický systém dokonale propojen, se jevy v horních vrstvách šíří směrem dolů a ovlivňují počasí a klimatické jevy v nižších vrstvách atmosféry. Tím ovlivňují i všechny atmosférické úkazy a výkyvy počasí, které pozorujeme na zemském povrchu.

Tato zcela nová pozorování umožní zpřesnit numerické modely a zdokonalit v nich důležité a dosud v podstatě nepopsané procesy vlnového transportu energie. Takové zdokonalení je přímo zásadní pro lepší pochopení klimatu a naší schopnosti předpovídat klimatické změny, pokud si takovou věc vůbec můžeme dovolit.

Babylonští astronomové

Starověcí babylonští astronomové používali k výpočtům pohybu Jupitera po noční obloze pokročilou geometrii, což znamená, že jejich znalost aplikované matematiky byla mnohem větší, než se dosud historikové domnívali. K tomuto závěru došel teď astrofyzik a historik Ossendrijver z berlínské Humboldtovy univerzity.

Babylonská říše vznikla někdy ve 2. tisíciletí př.n.l. v jižní Mezopotámii. Pojmy „babylonská věž“ nebo „to je ale Babylón“ se dodnes používají jako metafory k vyjádření něčeho komplikovaného a těžko popsatelného. Samotné město Babylón dosáhlo největšího rozkvětu za vlády Chammurapiho, který nechal vytesat do kamene první zákoník. Intelektuálně patřila babylonská společnost mezi nejvýznamnější v lidských dějinách. Vytvořila základy přírodních, společenských i exaktních věd. Babyloňané znali mocniny, odmocniny i kvadratické rovnice. V geometrii uplatňovali Pythagorovu i Euklidovu větu, zmapovali hvězdnou oblohu a měli tabulky na zatmění Slunce i Měsíce. Babylonští intelektuálové byli velmi otevření k přijímání nových podnětů a impulsů.

Ossendrijver rozluštil nápisy psané klínovým písmem na tabulce uložené v Britském muzeu a obsah propojil se čtyřmi dalšími známými tabulkami, které popisují pohyb Jupitera po eliptické dráze v aritmetické formě. Nápisy ukazují, že babylonští „badatelé“ měli možnost zanést tato aritmetická data do grafu závislosti úhlové rychlosti Jupitera na čase. Je to jako grafické řešení kvadratické rovnice. Plocha pod křivkou v grafu se dá rozdělit na segmenty, které se nazývají trapezoidy, a výpočtem plochy trapezoidu se určí vzdálenost, kterou Jupiter urazil na obloze za daný čas.

Tabulka obsahuje úplný popis pohybu Jupitera, udává změny jeho úhlové rychlosti ve stupních za den v různých segmentech. Výsledky například udávají, že prvních 60 dní klesá rychlost lineárně, potom se zvětší a je opět přibližně lineární.

Astronomie byla významnou částí babylonské kultury. Kněží pozorovali oblohu a hledali tam různá prorocká znamení. I když byla matematická geometrie Babyloňany objevena někdy mezi léty 1800 a 1600 před naším letopočtem, neexistoval žádný důkaz o tom, že by se používala v astronomii. Vědělo se pouze to, že byla využívána třeba k měření rozlohy pozemků různých tvarů. Pokud jsou Ossendrijverovy závěry správné, pak byli Babyloňané schopni udělat koncepční skok a aplikovat své znalosti geometrie daleko abstraktnějším způsobem.

Rozluštěné tabulky z Britského muzea jsou prvním a zároveň jediným důkazem toho, že Babyloňané skutečně geometrii aplikovali tímto způsobem. Tabulky se datují do let 350 až 50 před naším letopočtem. Jiný důkaz, že by je používali mimo astronomii nebo pro jinou planetu než Jupiter, zatím však neexistuje.

Astrofyzici a historici z jiných pracovišť považují výzkum za fantastický a oceňují, že byl Ossendrijver schopen rozpoznat spojitost mezi trapezoidy a problémem postupu Jupitera po ekliptice během jeho synodického cyklu.

Pochopitelně je ale i řada těch, kdo se závěry nesouhlasí. Z USA se ozývají hlasy, že zdaleka není jasné, že Babyloňané viděli problém tak jasně. Hlavním argumentem nedůvěřivců je absence grafů na tabulkách, i když ostatní matematické tabulky, zachycující třeba geometrická měření rozlohy půdy, takové grafy obsahují. Ossendrijver ale kontruje mimořádným poškozením tabulek, takže část s grafy může prostě chybět. A možná, že se tabulky s grafy ještě najdou.

Stejnou záhadou je, proč je metoda trapezopidů pravděpodobně omezena na hrstku tabulek týkajících se Jupitera a proč byly tyto znalosti následně zapomenuty až do doby, kdy byly znovu objeveny ve středověké Evropě. Podle zastánců to může být tím, že byla metoda objevena výjimečně schopným astronomem, což se přece často stává.

Teorie gravitačních vln se možná bude muset zdokonalit

Teoretický aparát, který popisuje gravitační vlny, bude možná potřebovat určitá zdokonalení ve vztahu k temné energii a zjištěnému zrychlování rozpínání vesmíru. K tomuto závěru došli američtí fyzici. Zatímco podle nich zůstanou gravitační vlny z blízkých zdrojů nedotčeny, detektory nové generace, jako jsou Laser Interferometry Space Antenna a Einstein Telescope, jejichž cílem je detekovat gravitační vlny ze zdrojů vzdálených miliardy světelných let, mohou naměřit signál ovlivněný rozpínáním vesmíru.

Co jsou to gravitační vlny? Měly by vznikat tam, kde se nerovnoměrně mění poloha nebo tvar hmotného objektu, při zrychleném pohybu a nesférických změnách rozložení hmoty. Gravitační vlny se podobají vlnám elektromagnetickým, oba typy vlnění mají příčný charakter a šíří se rychlostí světla. Liší se hlavně tím, že elektromagnetická vlna působí jen na elektricky nabité částice, zatímco gravitační vlna, která představuje změny geometrie prostoročasu, může rozkmitat každou hmotu. Další výrazný rozdíl je v intenzitě působení. Zatímco elektromagnetické vlny můžeme snadno generovat, detekovat a přeměňovat jejich energii, vazba mezi gravitačním polem a hmotou je ve srovnání s jadernými nebo elektromagnetickými silami velmi malá. Normálně jsou gravitační vlny velmi slabé, silnější gravitační vlny mohou vznikat jen při extrémním nahromadění hmoty při působení velmi silných gravitačních polí u některých vesmírných objektů.

Temná energie je nejlépe vyjádřena malou ale kladnou hodnotou kosmologické konstanty, která popisuje hustotu hmoty v prostoru. Je to slavná veličina, kterou odvodil Albert Einstein ze své obecné teorie relativity, když bylo v roce 1929 objeveno, že se vesmír rozpíná. Následujících 69 let teoretici předpokládali, že se kosmologická konstanta rovná nule. Jenže v roce 1998 bylo objeveno zrychlování rozpínání vesmíru, a k tomu je potřeba nějaká energie, která ho pohání. A tak přišla na řadu záhadná temná energie a kosmologická konstanta se opět stala předmětem diskusí.

Protože je hodnota kosmologické konstanty velice malá (10^-52 m²), předpokládalo se, že bude mít zanedbatelný vliv na matematický popis gravitačních vln. Jenže astrofyzici z univerzity v Pensylvánii tvrdí, že to znamená čáru přes rozpočet současné teorii gravitačních vln. Podle nich dokonce i velmi malá hodnota kosmologické konstanty vrhá stín na teorii gravitačních vln. Současná teorie, kterou přibližně před půl stoletím vytvořili Hermann Bondi, Rainer Sachs a Roger Penrose, je natolik pevně propojená s předpokladem, že hodnota kosmologické konstanty je nulová, že pro interpretaci nových měření bude nutná změna.

Tým z Pensylvánie už na této rekonstrukci začal pracovat. Vychází z nového zobecnění Einsteinovy slavné kvadrupólové rovnice. Ta udává rychlost, kterou gravitační vlny odvádějí energii ze systému, který obsahuje dva nebo více masivních objektů, jako je třeba binární černá díra. Sloučení dvou černých děr do jedné udělí kombinované černé díře impuls („nakopne ji“) v jednom směru. Americký tým teď pracuje na modifikaci kvadrupólové rovnice, která bude přesněji popisovat tento „kopanec“.

Jenže přepracování celého teoretického aparátu gravitačních vln je příliš grandiózní úlohou. Pro kosmologickou konstantu větší než nula doteď nevíme, co vlastně gravitační vlny znamenají v obecné teorii relativity, a ani nemáme k dispozici výraz pro energii a úhlový moment, který nesou.

Podle týmu z Pensylvánie je vliv kosmologické konstanty kumulativní. Co to znamená? Čím vzdálenější je zdroj gravitačních vln, tím větší expandující prostor musí gravitační vlny projít, než se dostanou k nám, a tím více jsou ovlivněny kosmologickou konstantou.

Současná generace pozemních detektorů jako třeba Advanced LIGO je schopna detekovat gravitační vlny z objektů vzdálených maximálně 800 milionů světelných let. To je skoro za rohem a hlavně to není dost daleko na to, aby měla nenulová kosmologická konstanta pozorovatelný vliv. Nové detektory LISA a Einstein Telescope budou schopny detekovat gravitační vlny až z druhé strany viditelného vesmíru a matematický model pro tyto signály bude muset být zcela jistě upřesněn.

Fyzici z univerzity v Cardiffu se sice těchto prací přímo neúčastnili, jsou však přesvědčeni, že se něco dá udělat už teď, protože nové teleskopy nebudou k dispozici dříve než za dvě desetiletí. Věří tomu, že signály, které už teď detekujeme z kosmologických vzdáleností, by mohly nést charakteristické rysy temné energie a mohl by být použity ke zjišťování relevantních informací. Bylo by velmi zajímavé vidět, jak jsou tyto signály modifikovány zavedením korekcí předpověděných skupinou z Pensylvánie. Chtěli bychom to zkusit, říkají astrofyzici z Cardiffu.

Původní materiály byly uveřejněny v Journal of Geophysical Research: Space Physics, Physical Review Letters , Nature a Physics World.

Další díly:

Autor: Jana Štrajblová
Úvodní foto: Stéla boha Marduka, kterého Babyloňané spojovali s Jupiterem (foto: De Agostini Picture Library)

Aktuality z fyziky XXVII

Co jsme netušili o atmosféře

Babylonští astronomové

Teorie gravitačních vln se možná bude muset zdokonalit