Atmosferska rezonancija, što je to pojava i može li predvidjeti vrijeme?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Zemljina atmosfera vibrira poput divovskog zvona: valovi putuju duž ekvatora u oba smjera, okružujući globus. Do ovog su zaključka došli znanstvenici iz Japana i Sjedinjenih Država, potvrđujući dugogodišnju hipotezu o atmosferskoj rezonanciji. Što je to i može li se njome predvidjeti vremenske prilike i dugoročne klimatske promjene?

Laplaceovi valovi

Početkom 19. stoljeća francuski fizičar i matematičar Pierre-Simon Laplace usporedio je Zemljinu atmosferu s ogromnim oceanom koji pokriva planet i izveo formule, danas poznate kao Laplaceove jednadžbe plime i oseke, koje se koriste u izračunima za izradu vremenske prognoze.

Laplace je vjerovao da atmosfera ima svoje oseke i oseke, kao i valove zračnih masa i toplinsku energiju. Između ostalog, spomenuo je vertikalne oscilacije na površini Zemlje koje se šire u horizontalnom smjeru, a koje se mogu zabilježiti promjenama površinskog tlaka.

Atmosferske toplinske plime povezane s rotacijom Zemlje odavno su otkrili geofizičari. Međutim, horizontalni valovi nisu mogli biti otkriveni. A sada je jasno zašto.

Kako su otkrili Takatoshi Sakazaki s Fakulteta znanosti Sveučilišta Kyoto i Kevin Hamilton, profesor Međunarodnog centra za pacifička istraživanja na Sveučilištu Hawaii u Manoi, Laplaceovi valovi imaju vrlo velike razmjere - pokrivaju gotovo cijele hemisfere - i vrlo kratke razdoblja, manje od jednog dana.

Stoga su bili zanemareni u proučavanju lokalnih atmosferskih pojava, poput grmljavine, te u proučavanju velikih, ali dugotrajnih kretanja zračnih masa.

Dijagram horizontalnih valnih duljina i razdoblja atmosferskih pojava koje su prethodno proučavali znanstvenici. Zvijezda je plimni valovi. Crvena kontura - zona rezonancije Laplaceovog vala

"Šahovska ploča" Zemlje

Autori studije analizirali su podatke Europskog centra za srednjoročne vremenske prognoze (ECMWF) za 38 godina - od 1979. do 2016. uključujući i promjene površinskog atmosferskog tlaka po satu na cijeloj površini planeta. Kao rezultat toga, identificirani su deseci dosad nepoznatih valnih modova - sustava harmonijskih oscilacija, koje znanstvenici nazivaju modovima.

Istraživače su posebno zanimali valovi s kratkim razdobljima od dva do 33 sata, koji se vodoravno šire u atmosferi oko svijeta ogromnom brzinom - više od 1100 kilometara na sat.

Zone visokog i niskog tlaka povezane s tim valovima stvaraju karakterističan uzorak šahovnice na karti, koji se, međutim, razlikuje za svaki od četiri glavna moda - Kelvin, Rossby, gravitacijski valovi i kombinacija posljednja dva.

Uzorak šahovnice kreiran od područja niskog (plavog) i visokog (crvenog) tlaka. Kao primjer prikazana su dva od četiri glavna načina - Kelvin i gravitacijski s periodima osciliranja Zemljine atmosfere od 32, 4 i 9,4 sata. Rezultati računalne simulacije

Zračno zvono

Pokazalo se da je Zemljina atmosfera poput zvona, kada se visoki prizvuci nadograđuju na glavnu niskofrekventnu pozadinu. Upravo ova kombinacija dubokog pozadinskog zvuka sa suptilnim preljevima čini zvonjavu tako ugodnim.

Samo "glazba" Zemlje nije zvuk, već valovi atmosferskog tlaka, koji prekrivaju cijeli globus. Svaki od četiri glavna modusa je rezonancija atmosfere, po analogiji s rezonancijama zvona. U ovom slučaju, Kelvinovi valovi niske frekvencije šire se od istoka prema zapadu, a ostatak - od zapada prema istoku.

Znanstvenici su izračunali parametre rezonancije koja proizlazi iz zbrajanja sva četiri moda, što se točno poklopilo s Laplaceovim predviđanjima. I to je potvrdilo njegovu glavnu ideju da vrijeme kontroliraju valovi atmosferskog tlaka.

"Zadovoljstvo je da je vizija Laplacea i drugih pionirskih fizičara u potpunosti potvrđena dva stoljeća kasnije", citirao je Takatoshi Sakazaki u priopćenju za tisak sa Sveučilišta Hawaii u Manoi.

"Naša identifikacija tolikog broja načina u podacima iz stvarnog svijeta pokazuje da atmosfera stvarno zvoni poput zvona", nastavlja Hamilton.

Autori kao moguće uzroke globalne rezonancije navode pojavu skrivenih zona grijanja zbog atmosferske konvekcije i kaskadni mehanizam širenja turbulentnih energetskih tokova.

Pomak područja niskog (plavog) i visokog (crvenog) tlaka za svaki od četiri glavna moda: A - Rossbyjevi valovi; B - Kelvinovi valovi; S - gravitacijski valovi; D - mješoviti način Rossby - gravitacija

Ekvatorijalni vjetrovi na Antarktiku

Još jedan fenomen povezan s valovima u atmosferi nedavno su objasnili američki znanstvenici sa Sveučilišta Clemson u Južnoj Karolini i Sveučilišta Colorado u Boulderu.

Promatrajući polarne vrtloge na postaji McMurdo na Antarktiku – masivne kružne struje hladnog zraka koje spiralno protežu svaki od Zemljinih polova – primijetili su da je antarktički vrtlog sinkroniziran s fazama kvazi-bienalnih oscilacija u atmosferi (QBO).

Otprilike svake dvije godine, širinski vjetrovi koji pušu na Zemljinom ekvatoru mijenjaju smjer s istoka na zapad. Fronta počinje na visini većoj od 30 kilometara u stratosferi i kreće se prema dolje brzinom od oko jednog kilometra mjesečno. Nakon 13-14 mjeseci istovremeno se događa inverzija vjetra duž cijelog ekvatora. Potpuni ciklus, dakle, traje od 26 do 28 mjeseci.

Opća shema kvazibijenalnih oscilacija

Amerikanci su otkrili da se tijekom istočne faze QBO-a antarktički vrtlog širi i skuplja tijekom zapadne faze. To se objašnjava prolaskom meridionalnih gravitacijskih valova od ekvatora do polova kroz različite slojeve atmosfere.

Ovi valovi su zabilježeni i sugerirali su da su povezani s promjenom smjera vjetrova koji pušu na ekvatoru - na udaljenosti većoj od devet tisuća kilometara od mjesta promatranja. Usporedba s podacima NASA-inog sustava meteorološkog i atmosferskog promatranja MERRA-2 za razdoblje od 1999. do 2019. godine to je u potpunosti potvrdila.

Odavno je poznato da širenje zone polarnog vrtloga donosi hladno vrijeme na srednje geografske širine. Međutim, iznenadila je činjenica da je osnovni uzrok promjena smjera stratosferskih vjetrova u tropima.

Znanstvenici se nadaju da će obrasci koje su identificirali dovesti do točnijih modela klime i atmosferske cirkulacije za vremensku prognozu. Pritom su zabrinuti da je posljednjih desetljeća sve veći utjecaj antropogenih čimbenika.

Dakle, prije četiri godine uočili smo kršenje cikličnosti FTC-a. U veljači 2016. naglo je prekinut prijelaz na istočne vjetrove. Jedan od mogućih razloga je globalno zatopljenje.

Zvono za uzbunu

Još veću zabrinutost izaziva sve veća učestalost ekstremnih vremenskih događaja, često povezanih s anomalijama atmosferskih valova. Znanstvenici posebno ukazuju na pojavu kvazistacionarnih atmosferskih Rossbyjevih valova na sjevernoj hemisferi.

Rossby valovi su divovski zavoji u vjetrovima na velikim visinama koji imaju dubok utjecaj na vrijeme. Ako prijeđu u kvazistacionarno stanje, izmjena ciklona i anticiklona se obustavlja. Zbog toga na nekim mjestima tjednima pada kiša koja prelazi u poplave, dok se na nekima postavlja nenormalna vrućina, kao ove godine na Arktiku.

Toplinski valovi i suše koje pogađaju Srednju i Sjevernu Ameriku, Srednju i Istočnu Europu, regiju Kaspijskog mora i istočnu Aziju nekoliko puta tijekom ljeta i traju jedan do dva tjedna, nanose ozbiljne štete poljoprivredi. Već nekoliko godina zaredom berbe ovdje opadaju, što otežava društvenu situaciju.

Tako "glazba" Zemlje sve češće zvuči ne kao nježna melodija, već kao alarmantno zvono za uzbunu.