Atmosfærisk resonans, hvad er dette fænomen, og kan det forudsige vejret?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Jordens atmosfære vibrerer som en kæmpe klokke: bølger bevæger sig langs ækvator i begge retninger og omkranser kloden. Denne konklusion blev nået af videnskabsmænd fra Japan og USA, hvilket bekræfter den langvarige hypotese om atmosfærisk resonans. Hvad er dette fænomen, og kan det bruges til at forudsige vejr og langsigtede klimaændringer?

Laplace bølger

I begyndelsen af det 19. århundrede sammenlignede den franske fysiker og matematiker Pierre-Simon Laplace Jordens atmosfære med et stort hav, der dækker planeten, og afledte formler, kendt i dag som Laplaces tidevandsligninger, brugt i beregninger til at lave vejrudsigter.

Laplace mente, at atmosfæren har sin egen ebbe og flod, såvel som bølger af luftmasser og termisk energi. Han nævnte blandt andet lodrette svingninger ved Jordens overflade, der udbreder sig i vandret retning, hvilket kan registreres ved ændringer i overfladetrykket.

Atmosfærisk varme tidevand forbundet med jordens rotation er længe blevet opdaget af geofysikere. Vandrette bølger kunne dog ikke detekteres. Og nu er det klart hvorfor.

Som Takatoshi Sakazaki fra Graduate School of Science ved Kyoto University og Kevin Hamilton, professor ved International Pacific Research Center ved University of Hawaii i Manoa, fandt ud af, har Laplace-bølger meget store skalaer - de dækker næsten hele halvkugler - og meget korte perioder, mindre end et døgn.

Derfor blev de overset i studiet af lokale atmosfæriske fænomener, såsom tordenvejr, og i studiet af store, men langvarige bevægelser af luftmasser.

Diagram over horisontale bølgelængder og perioder af atmosfæriske fænomener, som tidligere blev undersøgt af forskere. Stjernen er flodbølger. Rød kontur - Laplace-bølgeresonanszone

Jordens "skakbræt"

Forfatterne af undersøgelsen analyserede data fra European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) i 38 år - fra 1979 til 2016 inklusive, inklusive timeændringer i overfladeatmosfærisk tryk over hele planetens overflade. Som et resultat blev dusinvis af hidtil ukendte bølgetilstande identificeret - systemer med harmoniske svingninger, som videnskabsmænd kalder tilstande.

Forskerne var især interesserede i bølger med korte perioder fra to til 33 timer, der breder sig vandret i atmosfæren rundt om på kloden med en enorm hastighed - mere end 1100 kilometer i timen.

Høj- og lavtrykszonerne forbundet med disse bølger skaber et karakteristisk skakbrætmønster på kortet, som dog er forskelligt for hver af de fire hovedtilstande – Kelvin, Rossby, gravitationsbølger og en kombination af de to sidstnævnte.

Et skakternet mønster skabt af områderne med lavt (blåt) og højt (rødt) tryk. Som et eksempel er to af de fire hovedtilstande vist - Kelvin og gravitation med perioder med oscillation af Jordens atmosfære på 32, 4 og 9, 4 timer. Computersimuleringsresultater

Luftklokke

Det viste sig, at Jordens atmosfære er som en ringende klokke, når høje overtoner er overlejret på den primære lavfrekvente baggrund. Det er denne kombination af dyb baggrundslyd med subtile overløb, der gør klokkeringning så behageligt.

Kun Jordens "musik" er ikke lyd, men bølger af atmosfærisk tryk, der dækker hele kloden. Hver af de fire hovedtilstande er en resonans af atmosfæren, analogt med en klokkes resonans. I dette tilfælde forplanter lavfrekvente Kelvin-bølger sig fra øst til vest, og resten - fra vest til øst.

Forskerne beregnede parametrene for resonansen, der stammer fra tilføjelsen af alle fire tilstande, nøjagtigt sammenfaldende med forudsigelserne fra Laplace. Og dette bekræftede hans hovedidé om, at vejret er styret af atmosfæriske trykbølger.

"Det er glædeligt, at Laplaces og andre pionerfysikeres vision er blevet fuldt ud bekræftet to århundreder senere," citerede Takatoshi Sakazaki i en pressemeddelelse fra University of Hawaii i Manoa.

"Vores identifikation af så mange tilstande i data fra den virkelige verden viser, at atmosfæren virkelig ringer som en klokke," fortsætter Hamilton.

Forfatterne nævner forekomsten af skjulte varmezoner på grund af atmosfærisk konvektion og kaskademekanismen for udbredelse af turbulente energistrømme som mulige årsager til global resonans.

Forskydning af områderne med lavt (blåt) og højt (rødt) tryk for hver af de fire hovedtilstande: A - Rossby-bølger; B - Kelvin-bølger; С - gravitationsbølger; D - mixed mode Rossby - gravitation

Ækvatorvinde i Antarktis

Et andet fænomen forbundet med bølger i atmosfæren blev for nylig forklaret af amerikanske videnskabsmænd fra Clemson University i South Carolina og University of Colorado i Boulder.

Da de observerede polære hvirvler ved McMurdo-stationen i Antarktis - massive cirkulære strømme af kold luft, der spiraler over hver af Jordens poler - lagde de mærke til, at den antarktiske hvirvel er synkron med faserne af kvasi-toårige oscillationer i atmosfæren (QBO).

Cirka hvert andet år skifter breddevinde, der blæser ved Jordens ækvator, retning fra øst til vest. Fronten begynder i en højde på mere end 30 kilometer i stratosfæren og bevæger sig nedad med en hastighed på omkring en kilometer om måneden. Efter 13-14 måneder sker vindinversion samtidigt langs hele ækvator. En komplet cyklus tager derfor fra 26 til 28 måneder.

Generel ordning af kvasi-toårige svingninger

Amerikanerne fandt ud af, at i løbet af den østlige fase af QBO udvides den antarktiske hvirvel og trækker sig sammen i den vestlige fase. Dette forklares ved passagen af meridionale gravitationsbølger fra ækvator til polerne gennem forskellige lag af atmosfæren.

Disse bølger blev registreret og antydet, at de er forbundet med en ændring i retningen af vindene, der blæser ved ækvator - i en afstand på mere end ni tusinde kilometer fra observationsstedet. Sammenligning med data fra NASAs MERRA-2 meteorologiske og atmosfæriske observationssystem for perioden fra 1999 til 2019 bekræftede dette fuldt ud.

Det har længe været kendt, at udvidelsen af den polare vortex-zone bringer koldt vejr til mellembreddegrader. Det faktum, at grundårsagen er en ændring i retningen af stratosfæriske vinde i troperne, kom dog som en overraskelse.

Forskere håber, at de mønstre, de har identificeret, vil føre til mere nøjagtige klima- og atmosfæriske cirkulationsmodeller til vejrudsigt. Samtidig er de bekymrede over, at påvirkningen af menneskeskabte faktorer i de seneste årtier har været stigende.

Så for fire år siden bemærkede vi en krænkelse af FTC's cyklicitet. I februar 2016 blev overgangen til østenvind brat afbrudt. En af de mulige årsager er den globale opvarmning.

Alarmklokke

Af endnu større bekymring er den stigende hyppighed af ekstreme vejrbegivenheder, ofte også forbundet med atmosfæriske bølgeanomalier. Især peger forskere på forekomsten af kvasi-stationære atmosfæriske Rossby-bølger på den nordlige halvkugle.

Rossby Waves er gigantiske sving i høje vinde, der har en dyb indvirkning på vejret. Hvis de går over i en kvasi-stationær tilstand, suspenderes ændringen af cykloner og anticykloner. Som følge heraf regner det nogle steder i ugevis og bliver til oversvømmelser, mens der andre steder er sat en unormal varme, som i år i Arktis.

Hedebølger og tørker, der rammer Central- og Nordamerika, Central- og Østeuropa, Det Kaspiske Hav og Østasien flere gange i løbet af sommeren og varer en til to uger, forårsager alvorlig skade på landbruget. I flere år i træk har høsten været faldende her, hvilket komplicerer den sociale situation.

Så Jordens "musik" lyder oftere og oftere ikke som en blid melodi, men en alarmerende alarmklokke.