Ilmakehän resonanssi, mikä tämä ilmiö on ja voiko se ennustaa sään?

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Maan ilmakehä värähtelee kuin jättimäinen kello: aallot kulkevat päiväntasaajaa pitkin molempiin suuntiin ja ympäröivät maapallon. Japanin ja Yhdysvaltojen tutkijat tekivät tämän johtopäätöksen, mikä vahvisti pitkäaikaisen hypoteesin ilmakehän resonanssista. Mikä tämä ilmiö on ja voidaanko sen avulla ennustaa säätä ja pitkän aikavälin ilmastonmuutosta?

Laplacen aallot

1800-luvun alussa ranskalainen fyysikko ja matemaatikko Pierre-Simon Laplace vertasi Maan ilmakehää laajaan valtamereen, joka peitti planeetan ja johti kaavoja, jotka tunnetaan nykyään Laplacen vuorovesiyhtälöinä ja joita käytetään laskelmissa sääennusteiden tekemiseen.

Laplace uskoi, että ilmakehällä on omat aallot ja ilmamassat sekä lämpöenergia. Hän mainitsi muun muassa pystysuuntaiset, vaakasuunnassa etenevät värähtelyt maan pinnalla, jotka voidaan tallentaa pintapaineen muutoksilla.

Geofyysikot ovat jo pitkään havainneet ilmakehän lämpövuoroveden, jotka liittyvät Maan pyörimiseen. Vaakasuuntaisia aaltoja ei kuitenkaan voitu havaita. Ja nyt on selvää miksi.

Kuten Takatoshi Sakazaki Kioton yliopiston Graduate School of Science -koulusta ja Kevin Hamilton, Kansainvälisen Tyynenmeren tutkimuskeskuksen professori Havaijin yliopistossa Manoassa, havaitsivat, Laplacen aalloilla on erittäin suuret mittakaavat – ne kattavat lähes kokonaiset pallonpuoliskot – ja hyvin lyhyitä. kuukautisia, alle vuorokauden.

Siksi ne jätettiin huomiotta paikallisten ilmakehän ilmiöiden, kuten ukkosmyrskyjen, ja suurien, mutta pitkäaikaisten ilmamassojen liikkeiden tutkimuksessa.

Kaavio vaakasuuntaisista aallonpituuksista ja ilmakehän ilmiöiden jaksoista, joita tutkijat ovat aiemmin tutkineet. Tähti on hyökyaallot. Punainen ääriviiva - Laplacen aallon resonanssivyöhyke

Maan "shakkilauta"

Tutkimuksen tekijät analysoivat Euroopan keskipitkän aikavälin sääennusteiden keskuksen (ECMWF) tietoja 38 vuoden ajalta - vuodesta 1979 vuoteen 2016 mukaan lukien, mukaan lukien tunnin muutokset pinnan ilmanpaineessa koko planeetan pinnalla. Tämän seurauksena tunnistettiin kymmeniä aiemmin tuntemattomia aaltomuotoja - harmonisten värähtelyjen järjestelmiä, joita tiedemiehet kutsuvat moodeiksi.

Tutkijat olivat erityisen kiinnostuneita aalloista, joiden kesto on lyhyitä kahdesta 33 tuntiin ja jotka leviävät vaakasuunnassa ilmakehässä ympäri maapalloa valtavalla nopeudella - yli 1100 kilometriä tunnissa.

Näihin aaltoihin liittyvät korkea- ja matalapainevyöhykkeet luovat kartalle tyypillisen shakkitaulukuvion, joka kuitenkin eroaa jokaisesta neljästä päätilasta - Kelvin, Rossby, gravitaatioaallot ja kahden viimeksi mainitun yhdistelmä.

Matalan (sininen) ja korkean (punainen) painealueen luoma shakkitaulukuvio. Esimerkkinä esitetään kaksi neljästä päätilasta - Kelvin ja gravitaatio ja Maan ilmakehän värähtelyjaksot 32, 4 ja 9, 4 tuntia. Tietokonesimuloinnin tulokset

Ilmakello

Kävi ilmi, että maapallon ilmakehä on kuin soiva kello, kun korkeat ylisävyt asettuvat päämatalataajuiselle taustalle. Juuri tämä syvän taustaäänen ja hienovaraisten ylivuotojen yhdistelmä tekee kellojen soittamisesta niin nautinnollista.

Vain maan "musiikki" ei ole ääntä, vaan koko maapallon peittäviä ilmakehän paineaaltoja. Jokainen neljästä päämoodista on ilmakehän resonanssi, analogisesti kellon resonanssien kanssa. Tässä tapauksessa matalataajuiset Kelvin-aallot leviävät idästä länteen ja loput - lännestä itään.

Tiedemiehet laskivat resonanssin parametrit, jotka johtuvat kaikkien neljän moodin lisäämisestä, täsmälleen samaan aikaan Laplacen ennusteiden kanssa. Ja tämä vahvisti hänen pääajatuksensa siitä, että säätä hallitsevat ilmakehän paineaallot.

"On ilahduttavaa, että Laplacen ja muiden pioneerifyysikkojen visio on täysin vahvistettu kaksi vuosisataa myöhemmin", Takatoshi Sakazaki lainasi Manoan Havaijin yliopiston lehdistötiedotteessa.

"Tunnistamme niin monia tiloja tosielämän tiedoista osoittaa, että ilmapiiri todella soi kuin kello", Hamilton jatkaa.

Kirjoittajat mainitsevat globaalin resonanssin mahdollisina syinä ilmakehän konvektiosta johtuvien piilolämmitysvyöhykkeiden esiintymisen ja turbulenttien energiavirtojen etenemismekanismin.

Matalan (sininen) ja korkean (punainen) paineen alueiden siirtymä jokaiselle neljästä päämoodista: A - Rossbyn aallot; B - Kelvin-aallot; С - gravitaatioaallot; D - sekoitettu tila Rossby - painovoima

Päiväntasaajan tuulet Etelämantereella

Amerikkalaiset tutkijat Clemsonin yliopistosta Etelä-Carolinasta ja Coloradon yliopistosta Boulderista selittivät äskettäin toisen ilmakehän aalloihin liittyvän ilmiön.

Tarkkaillessaan napapyörteitä McMurdon asemalla Etelämantereella - massiivisia pyöreitä kylmän ilman virtauksia, jotka kiertyvät jokaisen Maan navan yli - he huomasivat, että Etelämantereen pyörre on synkroninen ilmakehän puolivuosittaisten värähtelyjen (QBO) vaiheiden kanssa.

Noin kahden vuoden välein Maan päiväntasaajalla puhaltavat leveystuulet vaihtavat suuntaa idästä länteen. Rintama alkaa yli 30 kilometrin korkeudesta stratosfäärissä ja liikkuu alaspäin noin kilometrin nopeudella kuukaudessa. 13-14 kuukauden kuluttua tuulen inversio tapahtuu samanaikaisesti koko päiväntasaajalla. Täydellinen kierto kestää siis 26-28 kuukautta.

Kvasibiennaalivärähtelyjen yleinen kaavio

Amerikkalaiset havaitsivat, että QBO:n itäisessä vaiheessa Etelämanner-pyörre laajenee ja supistuu läntisen vaiheen aikana. Tämä selittyy meridionaalisten gravitaatioaaltojen kulkulla päiväntasaajalta navoille ilmakehän eri kerrosten läpi.

Nämä aallot tallennettiin ja ehdotettiin, että ne liittyvät päiväntasaajalla puhaltavien tuulien suunnan muutokseen - yli yhdeksän tuhannen kilometrin etäisyydellä havaintopaikasta. Vertailu NASAn meteorologisen ja ilmakehän havainnointijärjestelmän MERRA-2 tietoihin ajanjaksolta 1999–2019 vahvisti tämän täysin.

Jo pitkään on tiedetty, että napapyörteen laajeneminen tuo kylmän sään keskileveysasteille. Se, että perimmäinen syy on stratosfäärituulien suunnan muutos tropiikissa, tuli kuitenkin yllätyksenä.

Tutkijat toivovat, että heidän tunnistamansa mallit johtavat tarkempiin ilmasto- ja ilmakehän kiertokulkumalleihin sään ennustamista varten. Samalla he ovat huolissaan siitä, että ihmisperäisten tekijöiden vaikutus on lisääntynyt viime vuosikymmeninä.

Joten neljä vuotta sitten huomasimme FTC:n syklisyyden rikkomisen. Helmikuussa 2016 siirtyminen itätuuleen keskeytettiin äkillisesti. Yksi mahdollisista syistä on ilmaston lämpeneminen.

Hälytyskello

Vielä suurempi huolenaihe on äärimmäisten sääilmiöiden lisääntyminen, jotka usein liittyvät myös ilmakehän aaltojen poikkeamiin. Erityisesti tutkijat viittaavat näennäisesti paikallaan olevien ilmakehän Rossby-aaltojen esiintymiseen pohjoisella pallonpuoliskolla.

Rossby Waves ovat jättimäisiä mutkia korkeissa tuulissa, joilla on syvällinen vaikutus säähän. Jos ne siirtyvät kvasistationaariseen tilaan, syklonien ja antisyklonien muutos keskeytyy. Seurauksena on, että paikoin sataa viikkoja ja muuttuu tulviksi, kun taas toisilla on epänormaalia lämpöä, kuten tänä vuonna arktisella alueella.

Keski- ja Pohjois-Amerikkaa, Keski- ja Itä-Eurooppaa, Kaspianmeren aluetta ja Itä-Aasiaa useaan otteeseen kesän aikana iskevät helleaallot ja kuivuus aiheuttavat vakavia vahinkoja maataloudelle. Useita vuosia peräkkäin sadot ovat täällä laskeneet, mikä vaikeuttaa sosiaalista tilannetta.

Joten maan "musiikki" ei kuulosta yhä useammin lempeältä melodialta, vaan hälyttävältä hälytyskelolta.