Atmosfääri resonants, mis see nähtus on ja kas see võib ilma ennustada?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Maa atmosfäär vibreerib nagu hiiglaslik kell: lained liiguvad mööda ekvaatorit mõlemas suunas, ümbritsedes maakera. Sellele järeldusele jõudsid Jaapani ja USA teadlased, kinnitades kauaaegset atmosfääriresonantsi hüpoteesi. Mis see nähtus on ja kas seda saab kasutada ilma ja pikaajaliste kliimamuutuste ennustamiseks?

Laplace'i lained

19. sajandi alguses võrdles prantsuse füüsik ja matemaatik Pierre-Simon Laplace Maa atmosfääri planeeti katva tohutu ookeaniga ja tuletas valemeid, mida tänapäeval tuntakse Laplace'i loodete võrranditena ja mida kasutatakse arvutustes ilmaennustuste tegemiseks.

Laplace uskus, et atmosfääril on oma mõõn ja voog, samuti õhumasside ja soojusenergia lained. Muu hulgas mainis ta Maa pinnal horisontaalsuunas levivaid vertikaalvõnkumisi, mida saab fikseerida pinnarõhu muutustega.

Maa pöörlemisega seotud atmosfäärisoojused on geofüüsikud juba ammu avastanud. Horisontaalseid laineid aga tuvastada ei õnnestunud. Ja nüüd on selge, miks.

Nagu Takatoshi Sakazaki Kyoto ülikooli teaduskoolist ja Manoa Hawaii ülikooli rahvusvahelise Vaikse ookeani uurimiskeskuse professor Kevin Hamilton avastasid, on Laplace'i lainetel väga suured mastaabid – need katavad peaaegu terveid poolkerasid – ja väga lühikesed. perioodid, vähem kui päev.

Seetõttu jäid need tähelepanuta kohalike atmosfäärinähtuste, näiteks äikesetormide uurimisel ja õhumasside suurte, kuid pikaajaliste liikumiste uurimisel.

Teadlaste poolt varem uuritud atmosfäärinähtuste horisontaalsete lainepikkuste ja perioodide skeem. Täht on hiidlained. Punane kontuur - Laplace'i laine resonantstsoon

Maa "malelaud"

Uuringu autorid analüüsisid Euroopa Keskmise Ilmaennustuste Keskuse (ECMWF) andmeid 38 aasta jooksul – aastatel 1979–2016 (kaasa arvatud), sealhulgas igatunniseid muutusi maapinna atmosfäärirõhus kogu planeedi pinnal. Selle tulemusena tuvastati kümneid varem tundmatuid lainerežiime – harmooniliste võnkumiste süsteeme, mida teadlased nimetavad režiimideks.

Teadlasi huvitasid eriti lühikese perioodiga 2–33 tunnised lained, mis levivad horisontaalselt atmosfääris üle maakera tohutu kiirusega – enam kui 1100 kilomeetrit tunnis.

Nende lainetega seotud kõrg- ja madalrõhutsoonid loovad kaardil iseloomuliku ruudukujulise mustri, mis aga on nelja põhirežiimi puhul erinev – Kelvin, Rossby, gravitatsioonilained ja kahe viimase kombinatsioon.

Madala (sinine) ja kõrge (punase) rõhu piirkondade loodud malelaua muster. Näitena on näidatud kaks neljast põhirežiimist - Kelvin ja gravitatsiooniline Maa atmosfääri võnkeperioodidega 32, 4 ja 9, 4 tundi. Arvutisimulatsiooni tulemused

Õhkkell

Selgus, et Maa atmosfäär on nagu helisev kell, kui põhilisele madalsageduslikule taustale on kantud kõrged ülemtoonid. Just see sügava taustaheli ja peente ülevoolude kombinatsioon muudab kellahelina nii nauditavaks.

Ainult Maa "muusika" ei ole heli, vaid atmosfäärirõhu lained, mis katavad kogu maakera. Kõik neli peamist režiimi on atmosfääri resonants analoogselt kella resonantsiga. Sel juhul levivad madala sagedusega Kelvini lained idast läände ja ülejäänud - läänest itta.

Teadlased arvutasid välja kõigi nelja režiimi liitmisel tekkiva resonantsi parameetrid, mis langesid täpselt kokku Laplace'i ennustustega. Ja see kinnitas tema põhiideed, et ilma kontrollivad atmosfäärirõhulained.

"On rõõmustav, et Laplace'i ja teiste teerajajatest füüsikute nägemus leidis täielikult kinnitust kaks sajandit hiljem," tsiteeris Takatoshi Sakazaki Manoa Hawaii ülikooli pressiteates.

"Meie tuvastamine nii paljude režiimide kohta reaalsetes andmetes näitab, et atmosfäär heliseb tõesti nagu kell," jätkab Hamilton.

Autorid nimetavad globaalse resonantsi võimalike põhjustena atmosfääri konvektsioonist tingitud peidetud kuumutustsoonide tekkimist ja turbulentsete energiavoogude leviku kaskaadmehhanismi.

Madala (sinine) ja kõrge (punane) rõhu piirkondade nihkumine nelja põhirežiimi jaoks: A - Rossby lained; B - Kelvini lained; С - gravitatsioonilained; D - segarežiim Rossby - gravitatsioon

Ekvatoriaaltuuled Antarktikas

Veel ühte atmosfääri lainetega seotud nähtust selgitasid hiljuti Ameerika teadlased Lõuna-Carolinas asuvast Clemsoni ülikoolist ja Boulderis asuvast Colorado ülikoolist.

Vaadeldes Antarktikas McMurdo jaamas polaarpeeriseid – massiivseid külma õhu ringvoolusid, mis keerlevad spiraalselt üle iga Maa pooluse – märkasid nad, et Antarktika keeris on sünkroonne atmosfääris toimuvate kvaasi-kaheaastaste võnkumiste faasidega (QBO).

Ligikaudu iga kahe aasta tagant muudavad Maa ekvaatoril puhuvad laiustuuled suunda idast läände. Rinne algab stratosfääris enam kui 30 kilomeetri kõrguselt ja liigub allapoole kiirusega umbes üks kilomeeter kuus. 13-14 kuu pärast toimub tuule inversioon üheaegselt kogu ekvaatori ulatuses. Seetõttu kestab terve tsükkel 26 kuni 28 kuud.

Kvaasibiennaalide võnkumiste üldskeem

Ameeriklased leidsid, et QBO idafaasis Antarktika keeris laieneb ja läänefaasis tõmbub kokku. Seda seletatakse meridionaalsete gravitatsioonilainete kulgemisega ekvaatorilt poolustele läbi atmosfääri erinevate kihtide.

Need lained registreeriti ja pakuti, et need on seotud ekvaatoril puhuvate tuulte suuna muutumisega - vaatluskohast rohkem kui üheksa tuhande kilomeetri kaugusel. Võrdlus NASA meteoroloogilise ja atmosfäärivaatlussüsteemi MERRA-2 andmetega ajavahemikul 1999–2019 kinnitas seda täielikult.

Ammu on teada, et polaarpööriste tsooni laienemine toob külma ilma keskmistele laiuskraadidele. Tõsiasi, et algpõhjus on stratosfäärituulte suunamuutus troopikas, tuli aga üllatusena.

Teadlased loodavad, et nende tuvastatud mustrid viivad ilmaennustamiseks täpsemate kliima- ja atmosfääriringluse mudeliteni. Samas tunnevad nad muret, et viimastel aastakümnetel on inimtekkeliste tegurite mõju suurenenud.

Nii märkasime neli aastat tagasi FTC tsüklilisuse rikkumist. 2016. aasta veebruaris katkes järsult üleminek idakaare tuultele. Üks võimalikest põhjustest on globaalne soojenemine.

Äratuskell

Veelgi suuremat muret tekitab äärmuslike ilmastikunähtuste sagenemine, mida sageli seostatakse ka atmosfäärilainete anomaaliatega. Eelkõige juhivad teadlased tähelepanu kvaasistatsionaarsete atmosfääri Rossby lainete esinemisele põhjapoolkeral.

Rossby lained on hiiglaslikud kurvid kõrgtuules, millel on suur mõju ilmastikule. Kui need lähevad kvaasistatsionaarsesse olekusse, peatub tsüklonite ja antitsüklonite muutumine. Selle tulemusena sajab mõnel pool nädalaid vihma, mis läheb üle üleujutusteks, teisal aga valitseb ebatavaline kuumus, nagu tänavu Arktikas.

Kesk- ja Põhja-Ameerikat, Kesk- ja Ida-Euroopat, Kaspia mere piirkonda ja Ida-Aasiat tabavad kuumalained ja põud suve jooksul mitu korda ning kestavad üks kuni kaks nädalat, põhjustavad põllumajandusele tõsist kahju. Juba mitu aastat järjest on siin saagid langenud, mis muudab sotsiaalse olukorra keeruliseks.

Nii et Maa "muusika" kõlab üha sagedamini mitte õrna meloodiana, vaid häirekellana.