Atmosfärisk resonans, vad är detta fenomen och kan det förutsäga vädret?

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Jordens atmosfär vibrerar som en gigantisk klocka: vågor färdas längs ekvatorn i båda riktningarna och omger jordklotet. Denna slutsats nåddes av forskare från Japan och USA, vilket bekräftar den långvariga hypotesen om atmosfärisk resonans. Vad är detta fenomen och kan det användas för att förutsäga väder och långsiktiga klimatförändringar?

Laplace vågor

I början av 1800-talet jämförde den franske fysikern och matematikern Pierre-Simon Laplace jordens atmosfär med ett stort hav som täcker planeten och härledda formler, idag kända som Laplaces tidvattenekvationer, som används i beräkningar för att göra väderprognoser.

Laplace trodde att atmosfären har sin egen ebb och flod, såväl som vågor av luftmassor och termisk energi. Han nämnde bland annat vertikala svängningar på jordens yta, som utbreder sig i horisontell riktning, vilket kan registreras genom förändringar i yttrycket.

Atmosfäriska värmevatten associerade med jordens rotation har länge upptäckts av geofysiker. Horisontella vågor kunde dock inte detekteras. Och nu är det klart varför.

Som Takatoshi Sakazaki från Graduate School of Science vid Kyoto University och Kevin Hamilton, professor vid International Pacific Research Center vid University of Hawaii i Manoa, fick reda på att Laplace-vågor har mycket stora skalor - de täcker nästan hela hemisfären - och mycket korta mens, mindre än en dag.

Därför förbises de i studiet av lokala atmosfäriska fenomen, såsom åskväder, och i studiet av stora men långvariga rörelser av luftmassor.

Diagram över horisontella våglängder och perioder av atmosfäriska fenomen som tidigare studerats av forskare. Stjärnan är flodvågor. Röd kontur - Laplace vågresonanszon

"Schackbräde" av jorden

Författarna till studien analyserade data från European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) under 38 år - från 1979 till och med 2016, inklusive förändringar per timme i atmosfärstrycket på ytan över hela planetens yta. Som ett resultat identifierades dussintals tidigare okända våglägen - system av harmoniska svängningar, som forskare kallar lägen.

Forskarna var särskilt intresserade av vågor med korta perioder från två till 33 timmar, som fortplantade sig horisontellt i atmosfären runt om i världen med en enorm hastighet - mer än 1100 kilometer i timmen.

Hög- och lågtryckszonerna förknippade med dessa vågor skapar ett karakteristiskt rutmönster på kartan, som dock skiljer sig åt för vart och ett av de fyra huvudlägena - Kelvin, Rossby, gravitationsvågor och en kombination av de två sistnämnda.

Ett rutmönster skapat av de låga (blå) och höga (röda) tryckområdena. Som ett exempel visas två av de fyra huvudlägena - Kelvin och gravitation med perioder av oscillation av jordens atmosfär på 32, 4 och 9, 4 timmar. Resultat av datorsimulering

Luftklocka

Det visade sig att jordens atmosfär är som en ringande klocka, när höga övertoner överlagras på den huvudsakliga lågfrekventa bakgrunden. Det är denna kombination av djupt bakgrundsljud med subtila översvämningar som gör klockringningen så njutbar.

Bara jordens "musik" är inte ljud, utan vågor av atmosfärstryck som täcker hela jordklotet. Var och en av de fyra huvudlägena är en resonans av atmosfären, analogt med resonanserna hos en klocka. I det här fallet sprider sig lågfrekventa Kelvin-vågor från öst till väst, och resten - från väst till öst.

Forskarna beräknade parametrarna för resonansen som härrör från tillägget av alla fyra lägen, sammanföll exakt med Laplaces förutsägelser. Och detta bekräftade hans huvudidé att vädret styrs av atmosfäriska tryckvågor.

"Det är glädjande att Laplaces och andra pionjärfysikers vision har bekräftats till fullo två århundraden senare", citerade Takatoshi Sakazaki i ett pressmeddelande från University of Hawaii i Manoa.

"Vår identifiering av så många lägen i verkliga data visar att atmosfären verkligen ringer som en klocka," fortsätter Hamilton.

Författarna nämner förekomsten av dolda uppvärmningszoner på grund av atmosfärisk konvektion och kaskadmekanismen för utbredning av turbulenta energiflöden som möjliga orsaker till global resonans.

Förskjutning av regionerna med lågt (blått) och högt (rött) tryck för vart och ett av de fyra huvudlägena: A - Rossby-vågor; B - Kelvinvågor; С - gravitationsvågor; D - blandat läge Rossby - gravitation

Ekvatorialvindar i Antarktis

Ett annat fenomen i samband med vågor i atmosfären förklarades nyligen av amerikanska forskare från Clemson University i South Carolina och University of Colorado i Boulder.

När de observerade polära virvlar vid McMurdo-stationen i Antarktis - massiva cirkulära strömmar av kall luft som spiralformar över var och en av jordens poler - märkte de att den antarktiska virveln är synkron med faserna av kvasi-biennial oscillationer i atmosfären (QBO).

Ungefär vartannat år ändrar latitudinella vindar som blåser vid jordens ekvator riktning från öst till väst. Fronten börjar på en höjd av mer än 30 kilometer i stratosfären och rör sig nedåt med en hastighet av cirka en kilometer per månad. Efter 13-14 månader sker vindinversion samtidigt längs hela ekvatorn. En komplett cykel tar därför från 26 till 28 månader.

Allmänt schema för kvasi-biennial oscillationer

Amerikanerna fann att under den östra fasen av QBO expanderar den antarktiska virveln och drar ihop sig under den västra fasen. Detta förklaras av meridionala gravitationsvågor från ekvatorn till polerna genom olika skikt av atmosfären.

Dessa vågor registrerades och antydde att de är förknippade med en förändring i riktningen av vindarna som blåser vid ekvatorn - på ett avstånd av mer än nio tusen kilometer från observationsplatsen. Jämförelse med data från NASA:s MERRA-2 meteorologiska och atmosfäriska observationssystem för perioden 1999 till 2019 bekräftade detta fullt ut.

Det har länge varit känt att utvidgningen av den polära virvelzonen för kallt väder till medelbreddgrader. Det faktum att grundorsaken är en förändring av stratosfärvindarnas riktning i tropikerna kom dock som en överraskning.

Forskare hoppas att de mönster de har identifierat kommer att leda till mer exakta klimat- och atmosfäriska cirkulationsmodeller för väderprognoser. Samtidigt är de oroade över att påverkan av antropogena faktorer har ökat under de senaste decennierna.

Så för fyra år sedan märkte vi en kränkning av FTC:s cyklicitet. I februari 2016 avbröts abrupt övergången till ostliga vindar. En av de möjliga orsakerna är den globala uppvärmningen.

Alarmklocka

Ännu större oro är den ökande frekvensen av extrema väderhändelser, ofta också förknippade med atmosfäriska vågor. Särskilt pekar forskare på förekomsten av kvasistationära atmosfäriska Rossby-vågor på norra halvklotet.

Rossby Waves är gigantiska krökar i höghöjdsvindar som har en djupgående effekt på vädret. Om de övergår i ett kvasistationärt tillstånd avbryts bytet av cykloner och anticykloner. Som ett resultat av det regnar det på vissa ställen i veckor och övergår till översvämningar, medan det på andra ställen är onormal värme, som i år i Arktis.

Värmeböljor och torka som drabbar Central- och Nordamerika, Central- och Östeuropa, Kaspiska havet och Östasien flera gånger under sommaren och varar i en till två veckor orsakar allvarliga skador på jordbruket. Flera år i rad har skördarna minskat här, vilket försvårar den sociala situationen.

Så jordens "musik" låter allt oftare inte som en mild melodi, utan en alarmerande alarmklocka.