Atmosfærisk resonans, hva er dette fenomenet og kan det forutsi været?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Jordens atmosfære vibrerer som en gigantisk klokke: bølger beveger seg langs ekvator i begge retninger og omkranser kloden. Denne konklusjonen ble nådd av forskere fra Japan og USA, og bekreftet den langvarige hypotesen om atmosfærisk resonans. Hva er dette fenomenet og kan det brukes til å forutsi vær og langsiktige klimaendringer?

Laplace bølger

På begynnelsen av 1800-tallet sammenlignet den franske fysikeren og matematikeren Pierre-Simon Laplace jordens atmosfære med et enormt hav som dekker planeten og avledet formler, kjent i dag som Laplaces tidevannsligninger, brukt i beregninger for å lage værmeldinger.

Laplace mente at atmosfæren har sin egen flo og fjære, samt bølger av luftmasser og termisk energi. Han nevnte blant annet vertikale svingninger ved jordoverflaten, som forplanter seg i horisontal retning, som kan registreres ved endringer i overflatetrykket.

Atmosfærisk varme tidevann knyttet til jordens rotasjon har lenge blitt oppdaget av geofysikere. Horisontale bølger kunne imidlertid ikke oppdages. Og nå er det klart hvorfor.

Som Takatoshi Sakazaki ved Graduate School of Science ved Kyoto University og Kevin Hamilton, professor ved International Pacific Research Center ved University of Hawaii i Manoa, fant ut, har Laplace-bølger veldig store skalaer - de dekker nesten hele halvkuler - og veldig korte perioder, mindre enn en dag.

Derfor ble de oversett i studiet av lokale atmosfæriske fenomener, som tordenvær, og i studiet av store, men langvarige bevegelser av luftmasser.

Diagram over horisontale bølgelengder og perioder med atmosfæriske fenomener som tidligere ble studert av forskere. Stjernen er flodbølger. Rød kontur - Laplace-bølgeresonanssone

"Sjakkbrett" av jorden

Forfatterne av studien analyserte data fra European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) i 38 år – fra 1979 til og med 2016, inkludert timelige endringer i atmosfærisk overflatetrykk over hele planetens overflate. Som et resultat ble dusinvis av tidligere ukjente bølgemodus identifisert - systemer med harmoniske svingninger, som forskere kaller moduser.

Forskerne var spesielt interessert i bølger med korte perioder fra to til 33 timer, som forplantet seg horisontalt i atmosfæren rundt om på kloden med en enorm hastighet – mer enn 1100 kilometer i timen.

Høy- og lavtrykkssonene knyttet til disse bølgene skaper et karakteristisk sjakkbrettmønster på kartet, som imidlertid er forskjellig for hver av de fire hovedmodusene – Kelvin, Rossby, gravitasjonsbølger og en kombinasjon av de to sistnevnte.

Et sjakkbrettmønster skapt av områdene med lavt (blått) og høyt (rødt) trykk. Som et eksempel er to av de fire hovedmodusene vist - Kelvin og gravitasjon med perioder med oscillasjon av jordens atmosfære på 32, 4 og 9, 4 timer. Datasimuleringsresultater

Luftklokke

Det viste seg at jordens atmosfære er som en ringende klokke, når høye overtoner er lagt over den viktigste lavfrekvente bakgrunnen. Det er denne kombinasjonen av dyp bakgrunnslyd med subtile overløp som gjør bjelleringing så hyggelig.

Bare "musikken" til jorden er ikke lyd, men bølger av atmosfærisk trykk som dekker hele kloden. Hver av de fire hovedmodusene er en resonans av atmosfæren, analogt med resonansene til en klokke. I dette tilfellet forplanter lavfrekvente Kelvin-bølger seg fra øst til vest, og resten - fra vest til øst.

Forskerne beregnet parametrene for resonansen som oppstår ved tillegg av alle fire modusene, falt nøyaktig sammen med spådommene til Laplace. Og dette bekreftet hovedideen hans om at været styres av atmosfæriske trykkbølger.

"Det er gledelig at visjonen til Laplace og andre pionerfysikere har blitt fullstendig bekreftet to århundrer senere," siterte Takatoshi Sakazaki i en pressemelding fra University of Hawaii i Manoa.

"Vår identifikasjon av så mange moduser i virkelige data viser at atmosfæren virkelig ringer som en bjelle," fortsetter Hamilton.

Forfatterne nevner forekomsten av skjulte varmesoner på grunn av atmosfærisk konveksjon og kaskademekanismen for forplantning av turbulente energistrømmer som mulige årsaker til global resonans.

Forskyvning av områdene med lavt (blått) og høyt (rødt) trykk for hver av de fire hovedmodusene: A - Rossby-bølger; B - Kelvin-bølger; С - gravitasjonsbølger; D - blandet modus Rossby - gravitasjon

Ekvatorialvinder i Antarktis

Et annet fenomen knyttet til bølger i atmosfæren ble nylig forklart av amerikanske forskere fra Clemson University i South Carolina og University of Colorado i Boulder.

Da de observerte polare virvler ved McMurdo-stasjonen i Antarktis - massive sirkulære strømmer av kald luft som spiraler over hver av jordens poler - la de merke til at den antarktiske virvelen er synkron med fasene til kvasi-toårige oscillasjoner i atmosfæren (QBO).

Omtrent hvert annet år endrer breddevindene som blåser ved jordens ekvator retning fra øst til vest. Fronten begynner i en høyde på mer enn 30 kilometer i stratosfæren og beveger seg nedover med en hastighet på omtrent én kilometer per måned. Etter 13-14 måneder skjer vindinversjon samtidig langs hele ekvator. En komplett syklus tar derfor fra 26 til 28 måneder.

Generelt opplegg for kvasi-toårige svingninger

Amerikanerne fant at i løpet av den østlige fasen av QBO, utvider og trekker den antarktiske virvelen seg sammen under den vestlige fasen. Dette forklares ved passasjen av meridionale gravitasjonsbølger fra ekvator til polene gjennom forskjellige lag av atmosfæren.

Disse bølgene ble registrert og antydet at de er forbundet med en endring i retningen til vindene som blåser ved ekvator - i en avstand på mer enn ni tusen kilometer fra observasjonsstedet. Sammenligning med data fra NASAs MERRA-2 meteorologiske og atmosfæriske observasjonssystem for perioden fra 1999 til 2019 bekreftet dette fullt ut.

Det har lenge vært kjent at utvidelsen av den polare virvelsonen bringer kaldt vær til middels breddegrader. At grunnårsaken er en endring i retning av stratosfæriske vinder i tropene kom imidlertid overraskende.

Forskere håper at mønstrene de har identifisert vil føre til mer nøyaktige klima- og atmosfæriske sirkulasjonsmodeller for værvarsling. Samtidig er de bekymret for at de siste tiårene har påvirkningen av menneskeskapte faktorer økt.

Så for fire år siden la vi merke til et brudd på syklisiteten til FTC. I februar 2016 ble overgangen til østavind brått avbrutt. En av de mulige årsakene er global oppvarming.

Alarmklokke

Enda større bekymring er den økende frekvensen av ekstreme værhendelser, ofte også assosiert med atmosfæriske bølgeanomalier. Spesielt peker forskere på forekomsten av kvasi-stasjonære atmosfæriske Rossby-bølger på den nordlige halvkule.

Rossby Waves er gigantiske svinger i høye vinder som har en dyp effekt på været. Hvis de går over i en kvasi-stasjonær tilstand, blir endringen av sykloner og antisykloner suspendert. Som et resultat regner det noen steder i flere uker, og går over til flom, mens andre steder er det satt en unormal varme, som i år i Arktis.

Hetebølger og tørker som rammer Sentral- og Nord-Amerika, Sentral- og Øst-Europa, Kaspiske hav-regionen og Øst-Asia flere ganger i løpet av sommeren og varer i én til to uker, forårsaker alvorlig skade på landbruket. I flere år på rad har avlingene gått ned her, noe som kompliserer den sosiale situasjonen.

Så "musikken" til jorden høres oftere og oftere ikke ut som en mild melodi, men en alarmerende alarmklokke.