Atmosferska rezonanca, šta je to pojava i može li predvidjeti vrijeme?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Zemljina atmosfera vibrira poput džinovskog zvona: valovi putuju duž ekvatora u oba smjera, okružujući globus. Do ovog zaključka došli su naučnici iz Japana i Sjedinjenih Država, potvrđujući dugogodišnju hipotezu o atmosferskoj rezonanciji. Šta je ovo i može li se koristiti za predviđanje vremena i dugoročnih klimatskih promjena?

Laplaceovi talasi

Početkom 19. stoljeća, francuski fizičar i matematičar Pierre-Simon Laplace uporedio je Zemljinu atmosferu sa ogromnim okeanom koji pokriva planetu i izveo formule, danas poznate kao Laplaceove jednačine plime i oseke, koje se koriste u proračunima za izradu vremenske prognoze.

Laplas je verovao da atmosfera ima svoje oseke i oseke, kao i talase vazdušnih masa i toplotnu energiju. Između ostalog, pomenuo je i vertikalne oscilacije na površini Zemlje koje se šire u horizontalnom smjeru, a koje se mogu zabilježiti promjenama površinskog pritiska.

Geofizičari su dugo otkrili atmosferske toplotne plime povezane sa rotacijom Zemlje. Međutim, horizontalni valovi nisu mogli biti otkriveni. A sada je jasno zašto.

Kako su Takatoshi Sakazaki sa postdiplomske škole nauke Univerziteta Kjoto i Kevin Hamilton, profesor Međunarodnog centra za pacifička istraživanja na Univerzitetu Hawaii u Manoi, otkrili, Laplaceovi valovi imaju vrlo velike razmjere - pokrivaju gotovo cijele hemisfere - i vrlo kratke menstruacije, 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 talasnih dužina i perioda atmosferskih pojava koje su prethodno proučavali naučnici. Zvezda je plimni talas. Crvena kontura - zona rezonancije Laplaceovog talasa

"Šahovska ploča" Zemlje

Autori studije analizirali su podatke Evropskog centra za srednjoročne vremenske prognoze (ECMWF) za 38 godina - od 1979. do 2016. godine, uključujući promjene površinskog atmosferskog pritiska po satu na cijeloj površini planete. Kao rezultat toga, identifikovane su desetine ranije nepoznatih talasnih modova - sistema harmonijskih oscilacija, koje naučnici nazivaju modovima.

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

Zone visokog i niskog pritiska povezane s ovim 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) pritiska. Kao primjer, prikazana su dva od četiri glavna moda - Kelvin i gravitacijski sa periodima oscilacije Zemljine atmosfere od 32, 4 i 9,4 sata. Rezultati kompjuterske simulacije

Zračno zvono

Ispostavilo se da je Zemljina atmosfera poput zvona kada se visoki tonovi naslanjaju na glavnu niskofrekventnu pozadinu. Upravo ova kombinacija dubokog pozadinskog zvuka sa suptilnim preljevima čini zvono tako ugodnim.

Samo "muzika" Zemlje nije zvuk, već talasi atmosferskog pritiska, koji prekrivaju čitav globus. Svaki od četiri glavna moda je rezonancija atmosfere, po analogiji sa rezonancijom zvona. U ovom slučaju, Kelvinovi valovi niske frekvencije šire se od istoka prema zapadu, a ostali - od zapada prema istoku.

Naučnici su izračunali parametre rezonancije koja nastaje sabiranjem sva četiri moda, što se tačno poklopilo sa Laplaceovim predviđanjima. I to je potvrdilo njegovu glavnu ideju da vrijeme kontroliraju valovi atmosferskog pritiska.

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

„Naša identifikacija tolikog broja modova u podacima iz stvarnog svijeta pokazuje da atmosfera zaista zvoni kao zvono“, nastavlja Hamilton.

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

Pomeranje oblasti niskog (plavog) i visokog (crvenog) pritiska za svaki od četiri glavna moda: A - Rossby talasi; B - Kelvinovi talasi; S - gravitacioni talasi; D - mješoviti način Rossby - gravitacija

Ekvatorijalni vjetrovi na Antarktiku

Još jedan fenomen povezan sa talasima u atmosferi nedavno su objasnili američki naučnici sa Univerziteta Clemson u Južnoj Karolini i Univerziteta Kolorado u Boulderu.

Posmatrajući polarne vrtloge na stanici McMurdo na Antarktiku - masivne kružne struje hladnog zraka koje spiralno prolaze preko svakog od Zemljinih polova - primijetili su da je antarktički vrtlog sinhron sa fazama kvazi-bienalnih oscilacija u atmosferi (QBO).

Otprilike svake dvije godine, širinski vjetrovi koji duvaju na Zemljinom ekvatoru mijenjaju smjer s istoka na zapad. Front počinje na visini većoj od 30 kilometara u stratosferi i kreće se naniže brzinom od oko jedan kilometar mjesečno. Nakon 13-14 mjeseci, istovremeno se javlja inverzija vjetra duž cijelog ekvatora. Potpuni ciklus, dakle, traje od 26 do 28 mjeseci.

Opća shema kvazibijenalnih oscilacija

Amerikanci su otkrili da se tokom istočne faze QBO, antarktički vrtlog širi i skuplja tokom zapadne faze. Ovo se objašnjava prolaskom meridionalnih gravitacionih talasa od ekvatora do polova kroz različite slojeve atmosfere.

Ovi valovi su zabilježeni i sugerirano je da su povezani s promjenom smjera vjetrova koji duvaju na ekvatoru - na udaljenosti većoj od devet hiljada kilometara od mjesta posmatranja. Poređenje sa podacima NASA-inog sistema meteorološkog i atmosferskog osmatranja MERRA-2 za period od 1999. do 2019. godine to je u potpunosti potvrdilo.

Odavno je poznato da širenje zone polarnog vrtloga dovodi hladno vrijeme do srednjih geografskih širina. Međutim, iznenadila je činjenica da je osnovni uzrok promjena smjera stratosferskih vjetrova u tropima.

Naučnici se nadaju da će obrasci koje su identifikovali dovesti do preciznijih modela klime i atmosferske cirkulacije za vremensku prognozu. Istovremeno, zabrinuti su da je posljednjih decenija sve veći uticaj antropogenih faktora.

Tako smo prije četiri godine uočili kršenje cikličnosti FTC-a. U februaru 2016. godine naglo je prekinut prelazak na istočne vjetrove. Jedan od mogućih razloga je globalno zagrijavanje.

Zvono za alarm

Još veću zabrinutost izaziva sve veća učestalost ekstremnih vremenskih događaja, često povezanih sa anomalijama atmosferskih talasa. Naučnici posebno ukazuju na pojavu kvazistacionarnih atmosferskih Rossby talasa na sjevernoj hemisferi.

Rossby talasi su džinovski zavoji vetrova na velikim visinama koji imaju dubok uticaj na vremenske prilike. Ako pređu u kvazistacionarno stanje, smjena ciklona i anticiklona se obustavlja. Kao rezultat toga, na nekim mjestima sedmicama pada kiša koja prelazi u poplave, dok se na nekima postavlja nenormalna vrućina, kao ove godine na Arktiku.

Toplotni talasi i suše koje pogađaju Centralnu i Severnu Ameriku, Centralnu i Istočnu Evropu, region Kaspijskog mora i istočnu Aziju nekoliko puta tokom leta i traju jednu do dve nedelje, nanose ozbiljnu štetu poljoprivredi. Već nekoliko godina zaredom ovdje opadaju žetve, što otežava društvenu situaciju.

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