Légköri rezonancia, mi ez a jelenség, és megjósolhatja-e az időjárást?

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A Föld légköre óriási harangként rezeg: a hullámok az Egyenlítő mentén haladnak mindkét irányba, körülveszik a földgömböt. Erre a következtetésre jutottak Japán és Egyesült Államok tudósai, megerősítve a légköri rezonancia régóta fennálló hipotézisét. Mi ez a jelenség, és felhasználható-e az időjárás és a hosszú távú klímaváltozás előrejelzésére?

Laplace hullámai

A 19. század elején Pierre-Simon Laplace francia fizikus és matematikus a Föld légkörét a bolygót borító hatalmas óceánhoz hasonlította, és levezette a ma Laplace-féle árapály-egyenletként ismert képleteket, amelyeket számítások során használnak időjárás-előrejelzések készítéséhez.

Laplace úgy vélte, hogy a légkörnek megvan a maga apálya és áramlása, valamint a légtömegek és a hőenergia hullámai. Többek között említette a Föld felszínén a vízszintes irányban terjedő függőleges oszcillációkat, amelyek a felszíni nyomás változásával rögzíthetők.

A Föld forgásával összefüggő légköri hőáramokat a geofizikusok régóta felfedezték. A vízszintes hullámokat azonban nem lehetett észlelni. És most már világos, hogy miért.

Amint Takatoshi Sakazaki, a Kiotói Egyetem Tudományos Iskolájának munkatársa és Kevin Hamilton, a Manoa-i Hawaii Egyetem Nemzetközi Csendes-óceáni Kutatóközpontjának professzora megtudta, a Laplace-hullámok nagyon nagy léptékűek – szinte egész féltekéket fednek le – és nagyon rövidek. időszakok, kevesebb mint egy nap.

Ezért figyelmen kívül hagyták őket a helyi légköri jelenségek, például a zivatarok, valamint a légtömegek nagy, de hosszú távú mozgásának vizsgálata során.

A tudósok által korábban tanulmányozott légköri jelenségek vízszintes hullámhosszainak és periódusainak diagramja. A csillag szökőár. Piros kontúr – Laplace hullámrezonancia zóna

A Föld „sakktáblája”

A tanulmány szerzői az Európai Középtávú Időjárás-előrejelzések Központjától (ECMWF) származó adatokat elemezték 38 évre – 1979-től 2016-ig – beleértve a felszíni légköri nyomás óránkénti változásait a bolygó teljes felületén. Ennek eredményeként több tucat korábban ismeretlen hullámmódot azonosítottak - a harmonikus rezgések rendszereit, amelyeket a tudósok módoknak neveznek.

A kutatókat különösen a rövid, 2-33 órás periódusú hullámok érdekelték, amelyek vízszintesen, óriási sebességgel – több mint 1100 kilométer/órával – terjednek a légkörben szerte a világon.

Az ezekhez a hullámokhoz kapcsolódó magas és alacsony nyomású zónák jellegzetes sakktábla-mintát hoznak létre a térképen, amely azonban mind a négy fő mód - Kelvin, Rossby, gravitációs hullámok és az utóbbi kettő kombinációja - esetében eltérő.

Az alacsony (kék) és a magas (piros) nyomású régiók által létrehozott sakktábla-minta. Példaként a négy fő mód közül kettő látható - a Kelvin és a gravitációs, a Föld légkörének 32, 4 és 9, 4 órás rezgési periódusaival. Számítógépes szimulációs eredmények

Légharang

Kiderült, hogy a Föld légköre olyan, mint egy csengő harang, amikor magas felhangok vannak rárakva a fő alacsony frekvenciájú háttérre. A mély háttérhang és a finom túlcsordulás kombinációja teszi olyan élvezetessé a csengőhangot.

Csak a Föld "zenéje" nem hang, hanem légköri nyomáshullámok, amelyek az egész földkerekséget beborítják. A négy fő mód mindegyike a légkör rezonanciája, a harang rezonanciáinak analógiájára. Ebben az esetben az alacsony frekvenciájú Kelvin-hullámok keletről nyugatra terjednek, a többi pedig nyugatról keletre.

A tudósok kiszámították a rezonancia paramétereit, amelyek mind a négy módus összeadásából származnak, pontosan egybeesve Laplace előrejelzéseivel. Ez pedig megerősítette fő gondolatát, miszerint az időjárást a légköri nyomáshullámok szabályozzák.

"Örvendetes, hogy Laplace és más úttörő fizikusok elképzelése két évszázaddal később teljes mértékben beigazolódott" - idézte Takatoshi Sakazaki a Manoa-i Hawaii Egyetem sajtóközleményét.

"A valós adatokban sok módot azonosítottunk azt mutatja, hogy a légkör valóban harangként cseng" - folytatja Hamilton.

A szerzők a globális rezonancia lehetséges okaként a légköri konvekcióból adódó rejtett fűtési zónák kialakulását és a turbulens energiaáramlások terjedésének kaszkád mechanizmusát nevezik meg.

Az alacsony (kék) és magas (piros) nyomású régiók elmozdulása a négy fő üzemmód mindegyikében: A - Rossby hullámok; B - Kelvin hullámok; С - gravitációs hullámok; D - kevert mód Rossby - gravitáció

Egyenlítői szelek az Antarktiszon

A légkör hullámaihoz kapcsolódó másik jelenséget a közelmúltban magyarázták a dél-karolinai Clemson Egyetem és a boulderi Colorado Egyetem amerikai tudósai.

Az antarktiszi McMurdo állomáson poláris örvényeket figyelve – a hideg levegő hatalmas, körkörös áramlatait, amelyek a Föld minden pólusa fölött spiráloznak – észrevették, hogy az antarktiszi örvény szinkronban van a légkör kvázi kétévenkénti oszcillációinak (QBO) fázisaival.

Körülbelül kétévente a Föld egyenlítőjénél fújó szélességi szelek keletről nyugatra változtatják az irányt. A front több mint 30 kilométeres magasságban kezdődik a sztratoszférában, és havonta körülbelül egy kilométeres sebességgel halad lefelé. 13-14 hónap elteltével a szél inverziója egyszerre következik be a teljes egyenlítő mentén. Egy teljes ciklus tehát 26-28 hónapig tart.

A kvázi kétévenkénti rezgések általános sémája

Az amerikaiak azt találták, hogy a QBO keleti szakaszában az antarktiszi örvény kitágul, és a nyugati szakaszban összehúzódik. Ez azzal magyarázható, hogy a meridionális gravitációs hullámok az Egyenlítőtől a sarkok felé haladnak a légkör különböző rétegein keresztül.

Ezeket a hullámokat rögzítették, és azt feltételezték, hogy az Egyenlítőnél fújó szelek irányának megváltozásával járnak együtt - több mint kilencezer kilométeres távolságban a megfigyelési helytől. A NASA MERRA-2 meteorológiai és légköri megfigyelőrendszerének 1999 és 2019 közötti időszakra vonatkozó adataival való összehasonlítás ezt teljes mértékben megerősítette.

Régóta ismert, hogy a sarki örvényzóna bővülése hideg időt hoz a középső szélességi fokokra. Meglepett azonban az a tény, hogy a kiváltó ok a sztratoszférikus szelek irányának megváltozása a trópusokon.

A tudósok azt remélik, hogy az általuk azonosított minták pontosabb éghajlati és légköri keringési modellekhez vezetnek az időjárás-előrejelzéshez. Ugyanakkor aggasztják, hogy az elmúlt évtizedekben az antropogén tényezők hatása fokozódik.

Tehát négy évvel ezelőtt az FTC ciklikusságának megsértését észleltük. 2016 februárjában a keleti szelekre való átállás hirtelen megszakadt. Az egyik lehetséges ok a globális felmelegedés.

Vészcsengő

Még nagyobb aggodalomra ad okot a szélsőséges időjárási események gyakoriságának növekedése, amelyek gyakran a légköri hullámok anomáliáihoz is kapcsolódnak. A tudósok különösen a kvázi-stacionárius légköri Rossby-hullámok előfordulására hívják fel a figyelmet az északi féltekén.

A Rossby Waves hatalmas kanyarulatok a nagy magasságú szélben, amelyek mélyen befolyásolják az időjárást. Ha kvázi-stacionárius állapotba kerülnek, a ciklonok és anticiklonok változása felfüggesztődik. Emiatt néhol hetekig esik az eső, ami árvízbe csap át, másutt szokatlan hőség alakul ki, mint idén az Északi-sarkon.

A Közép- és Észak-Amerikát, Közép- és Kelet-Európát, a Kaszpi-tenger térségét és Kelet-Ázsiát a nyáron többször sújtó, egy-két hétig tartó hőhullámok és aszályok súlyos károkat okoznak a mezőgazdaságban. Több éve egymás után csökken itt a termés, ami bonyolítja a társadalmi helyzetet.

A Föld „zenéje” tehát egyre gyakrabban nem szelíd dallamként, hanem riasztó vészharangként szólal meg.