Rezonans atmosferyczny, czym jest to zjawisko i czy może przewidzieć pogodę?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Atmosfera Ziemi wibruje jak gigantyczny dzwon: fale przemieszczają się wzdłuż równika w obu kierunkach, okrążając kulę ziemską. Do takiego wniosku doszli naukowcy z Japonii i Stanów Zjednoczonych, potwierdzając od dawna hipotezę rezonansu atmosferycznego. Co to za zjawisko i czy można je wykorzystać do przewidywania pogody i długoterminowych zmian klimatu?

Fale Laplace'a

Na początku XIX wieku francuski fizyk i matematyk Pierre-Simon Laplace porównał ziemską atmosferę do ogromnego oceanu pokrywającego planetę i wyprowadził wzory, znane dziś jako równania pływów Laplace'a, używane w obliczeniach do tworzenia prognoz pogody.

Laplace wierzył, że atmosfera ma swój własny przypływ i odpływ, a także fale mas powietrza i energię cieplną. Wspomniał między innymi o pionowych oscylacjach na powierzchni Ziemi, propagujących się w kierunku poziomym, co można rejestrować poprzez zmiany ciśnienia powierzchniowego.

Atmosferyczne pływy ciepła związane z ruchem obrotowym Ziemi od dawna odkryli geofizycy. Nie udało się jednak wykryć fal poziomych. A teraz jest jasne, dlaczego.

Jak odkryli Takatoshi Sakazaki z Graduate School of Science Uniwersytetu w Kioto i Kevin Hamilton, profesor Międzynarodowego Centrum Badań Pacyfiku na University of Hawaii w Manoa, fale Laplace'a mają bardzo duże skale – obejmują prawie całe półkule – i są bardzo krótkie. okresy, mniej niż jeden dzień.

Dlatego pominięto je w badaniu lokalnych zjawisk atmosferycznych, takich jak burze, oraz w badaniu dużych, ale długotrwałych ruchów mas powietrza.

Schemat horyzontalnych długości fal i okresów zjawisk atmosferycznych, które były wcześniej badane przez naukowców. Gwiazdą są fale pływowe. Czerwony kontur - strefa rezonansu fali Laplace'a

„Szachownica” Ziemi

Autorzy badania przeanalizowali dane z Europejskiego Centrum Prognoz Średniego Zasięgu (ECMWF) za 38 lat – od 1979 do 2016 włącznie, w tym godzinowe zmiany ciśnienia atmosferycznego na powierzchni całej powierzchni planety. W rezultacie zidentyfikowano dziesiątki nieznanych wcześniej modów fal - systemów oscylacji harmonicznych, które naukowcy nazywają modami.

Badaczy szczególnie zainteresowały fale o krótkich okresach od 2 do 33 godzin, rozchodzące się poziomo w atmosferze wokół globu z ogromną prędkością - ponad 1100 kilometrów na godzinę.

Związane z tymi falami strefy wysokiego i niskiego ciśnienia tworzą na mapie charakterystyczny wzór szachownicy, który jednak różni się dla każdego z czterech głównych trybów – Kelvina, Rossby’ego, fal grawitacyjnych i kombinacji tych dwóch ostatnich.

Wzór szachownicy utworzony przez regiony niskiego (niebieskiego) i wysokiego (czerwonego) ciśnienia. Jako przykład pokazano dwa z czterech głównych trybów - Kelvina i grawitacyjnego z okresami oscylacji atmosfery ziemskiej wynoszącymi 32, 4 i 9, 4 godziny. Wyniki symulacji komputerowej

Dzwonek powietrzny

Okazało się, że atmosfera ziemska jest jak dzwoniący dzwon, gdy wysokie alikwoty nakładają się na główne tło o niskiej częstotliwości. To właśnie połączenie głębokiego dźwięku tła z subtelnymi przepełnieniami sprawia, że dzwonek jest tak przyjemny.

Jedynie „muzyka” Ziemi to nie dźwięk, ale fale ciśnienia atmosferycznego, obejmujące cały glob. Każdy z czterech głównych trybów jest rezonansem atmosfery, analogicznie do rezonansu dzwonu. W tym przypadku fale Kelvina o niskiej częstotliwości rozchodzą się ze wschodu na zachód, a reszta - z zachodu na wschód.

Naukowcy obliczyli parametry rezonansu wynikające z dodania wszystkich czterech modów, dokładnie zbieżne z przewidywaniami Laplace'a. A to potwierdziło jego główne przekonanie, że pogoda jest kontrolowana przez fale ciśnienia atmosferycznego.

„To satysfakcjonujące, że wizja Laplace'a i innych pionierów fizyków została w pełni potwierdzona dwa wieki później”, cytuje Takatoshi Sakazaki w komunikacie prasowym z University of Hawaii w Manoa.

„Nasza identyfikacja tak wielu trybów w rzeczywistych danych pokazuje, że atmosfera naprawdę dzwoni jak dzwon” – kontynuuje Hamilton.

Jako możliwe przyczyny globalnego rezonansu autorzy wymieniają występowanie ukrytych stref grzewczych na skutek konwekcji atmosferycznej oraz kaskadowego mechanizmu propagacji turbulentnych przepływów energii.

Przemieszczenie obszarów niskiego (niebieskiego) i wysokiego (czerwonego) ciśnienia dla każdego z czterech głównych trybów: A - fale Rossby'ego; B - fale Kelvina; C - fale grawitacyjne; D - tryb mieszany Rossby - grawitacja

Wiatry równikowe na Antarktydzie

Inne zjawisko związane z falami w atmosferze wyjaśnili niedawno amerykańscy naukowcy z Clemson University w Południowej Karolinie i University of Colorado w Boulder.

Obserwując wiry polarne na stacji McMurdo na Antarktydzie – masywne, kołowe prądy zimnego powietrza, które krążą wokół każdego z biegunów Ziemi – zauważyli, że wir antarktyczny jest zsynchronizowany z fazami quasi-dwuletnich oscylacji w atmosferze (QBO).

Mniej więcej co dwa lata wiatry równoleżnikowe wiejące na równiku Ziemi zmieniają kierunek ze wschodu na zachód. Front zaczyna się na wysokości ponad 30 kilometrów w stratosferze i przesuwa się w dół z prędkością około jednego kilometra na miesiąc. Po 13-14 miesiącach inwersja wiatru zachodzi jednocześnie na całym równiku. Pełny cykl trwa zatem od 26 do 28 miesięcy.

Ogólny schemat quasi-dwuletnich oscylacji

Amerykanie odkryli, że podczas wschodniej fazy QBO, wir antarktyczny rozszerza się i kurczy w fazie zachodniej. Tłumaczy się to przechodzeniem południkowych fal grawitacyjnych z równika na bieguny przez różne warstwy atmosfery.

Fale te zostały zarejestrowane i sugerowały, że są one związane ze zmianą kierunku wiatrów wiejących na równiku – w odległości ponad dziewięciu tysięcy kilometrów od miejsca obserwacji. Porównanie z danymi z meteorologicznego i atmosferycznego systemu obserwacji MERRA-2 NASA z lat 1999-2019 w pełni to potwierdziło.

Od dawna wiadomo, że rozszerzanie się strefy wirów polarnych sprowadza zimną pogodę na średnie szerokości geograficzne. Zaskoczeniem był jednak fakt, że podstawową przyczyną jest zmiana kierunku wiatrów stratosferycznych w tropikach.

Naukowcy mają nadzieję, że zidentyfikowane przez nich wzorce doprowadzą do stworzenia dokładniejszych modeli klimatu i cyrkulacji atmosferycznej do prognozowania pogody. Jednocześnie obawiają się, że w ostatnich dziesięcioleciach narasta wpływ czynników antropogenicznych.

Tak więc cztery lata temu zauważyliśmy naruszenie cykliczności FTC. W lutym 2016 r. przejście na wiatry wschodnie zostało nagle przerwane. Jedną z możliwych przyczyn jest globalne ocieplenie.

Dzwonek alarmowy

Jeszcze większe obawy budzi rosnąca częstotliwość ekstremalnych zjawisk pogodowych, często związanych również z anomaliami fal atmosferycznych. W szczególności naukowcy wskazują na występowanie quasi-stacjonarnych atmosferycznych fal Rossby'ego na półkuli północnej.

Fale Rossby to gigantyczne zakręty w wiatrach na dużych wysokościach, które mają ogromny wpływ na pogodę. Jeśli przejdą w stan quasi-stacjonarny, to zmiana cyklonów i antycyklonów zostaje wstrzymana. W efekcie w niektórych miejscach pada tygodniami, zamieniając się w powodzie, a w innych panuje nienormalny upał, jak w tym roku w Arktyce.

Fale upałów i susze nawiedzające Amerykę Środkową i Północną, Europę Środkową i Wschodnią, region Morza Kaspijskiego i Azję Wschodnią kilka razy w okresie letnim i trwające od jednego do dwóch tygodni, powodują poważne szkody w rolnictwie. Od kilku lat plony tu spadają, co komplikuje sytuację społeczną.

Tak więc „muzyka” Ziemi coraz częściej brzmi nie jak delikatna melodia, ale alarmujący dzwonek na alarm.