Kas tai yra atmosferos rezonansas ir ar jis gali numatyti orą?

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Žemės atmosfera vibruoja kaip milžiniškas varpas: bangos sklinda išilgai pusiaujo į abi puses, apjuosdamos Žemės rutulį. Tokią išvadą padarė Japonijos ir Jungtinių Amerikos Valstijų mokslininkai, patvirtinę seniai egzistavusią atmosferos rezonanso hipotezę. Kas tai per reiškinys ir ar pagal jį galima prognozuoti orus ir ilgalaikius klimato pokyčius?

Laplaso bangos

XIX amžiaus pradžioje prancūzų fizikas ir matematikas Pierre'as-Simonas Laplasas palygino Žemės atmosferą su didžiuliu vandenynu, dengiančiu planetą, ir išvedė formules, šiandien žinomas kaip Laplaso potvynių ir atoslūgių lygtis, naudojamas skaičiuojant orų prognozėms.

Laplasas tikėjo, kad atmosfera turi savo atoslūgį ir atoslūgį, taip pat oro masių ir šiluminės energijos bangas. Be kita ko, jis paminėjo vertikalius svyravimus Žemės paviršiuje, sklindančius horizontalia kryptimi, kuriuos galima užfiksuoti keičiantis paviršiaus slėgiui.

Geofizikai jau seniai atrado atmosferos karščio potvynius, susijusius su Žemės sukimu. Tačiau horizontalių bangų aptikti nepavyko. Ir dabar aišku kodėl.

Kaip išsiaiškino Takatoshi Sakazaki iš Kioto universiteto Mokslų mokyklos absolventų ir Kevinas Hamiltonas, Havajų universiteto Manoa Tarptautinio Ramiojo vandenyno tyrimų centro profesorius, Laplaso bangos turi labai didelių mastelių – jos apima beveik visus pusrutulius – ir labai trumpos. menstruacijų, mažiau nei parą.

Todėl į juos buvo neatsižvelgta tiriant vietinius atmosferos reiškinius, tokius kaip perkūnija, ir tiriant didelius, bet ilgalaikius oro masių judėjimus.

Horizontalių bangų ilgių ir atmosferos reiškinių, kuriuos anksčiau tyrinėjo mokslininkai, diagrama. Žvaigždė yra potvynio bangos. Raudonas kontūras – Laplaso bangos rezonanso zona

Žemės „šachmatų lenta“

Tyrimo autoriai išanalizavo Europos vidutinio nuotolio orų prognozių centro (ECMWF) duomenis 38 metus – nuo 1979 iki 2016 m. imtinai, įskaitant valandinius paviršiaus atmosferos slėgio pokyčius visame planetos paviršiuje. Dėl to buvo identifikuota dešimtys anksčiau nežinomų bangų režimų – harmoninių virpesių sistemos, kurias mokslininkai vadina režimais.

Mokslininkus ypač domino bangos, kurių periodai trumpi – nuo 2 iki 33 valandų, horizontaliai atmosferoje visame Žemės rutulyje plintančios milžinišku greičiu – daugiau nei 1100 kilometrų per valandą.

Su šiomis bangomis susijusios aukšto ir žemo slėgio zonos sukuria žemėlapyje būdingą šaškių lentos raštą, kuris vis dėlto skiriasi kiekvienam iš keturių pagrindinių režimų – Kelvino, Rossby, gravitacinių bangų ir pastarųjų dviejų derinio.

Šaškių lentos raštas, sukurtas žemo (mėlyna) ir didelio (raudona) slėgio srityse. Kaip pavyzdys parodyti du iš keturių pagrindinių režimų - Kelvino ir gravitacinis su 32, 4 ir 9, 4 valandų Žemės atmosferos svyravimų periodais. Kompiuterinio modeliavimo rezultatai

Oro varpas

Paaiškėjo, kad Žemės atmosfera yra tarsi skambantis varpas, kai pagrindiniame žemo dažnio fone dedami aukšti obertonai. Būtent dėl šio gilaus foninio garso ir subtilių perpildymų derinio varpelio skambėjimas yra toks malonus.

Tik Žemės „muzika“– ne garsas, o atmosferos slėgio bangos, apimančios visą Žemės rutulį. Kiekvienas iš keturių pagrindinių režimų yra atmosferos rezonansas, analogiškai varpo rezonansams. Šiuo atveju žemo dažnio Kelvino bangos sklinda iš rytų į vakarus, o likusios – iš vakarų į rytus.

Mokslininkai apskaičiavo rezonanso parametrus, atsirandančius sudėjus visus keturis režimus, kurie tiksliai sutapo su Laplaso prognozėmis. Ir tai patvirtino pagrindinę jo mintį, kad orus valdo atmosferos slėgio bangos.

„Džiugu, kad Laplaso ir kitų pionierių fizikų vizija buvo visiškai patvirtinta po dviejų šimtmečių“, – Havajų universiteto Manoa pranešime spaudai citavo Takatoshi Sakazaki.

„Mūsų tiek daug režimų identifikavimas realaus pasaulio duomenyse rodo, kad atmosfera tikrai skamba kaip varpas“, – tęsia Hamiltonas.

Kaip galimas visuotinio rezonanso priežastis autoriai įvardija paslėptų šildymo zonų atsiradimą dėl atmosferos konvekcijos ir turbulentinių energijos srautų sklidimo kaskadinį mechanizmą.

Žemo (mėlyna) ir didelio (raudona) slėgio sričių poslinkis kiekvienam iš keturių pagrindinių režimų: A - Rossby bangos; B - Kelvino bangos; С - gravitacinės bangos; D – mišrus režimas Rossby – gravitacija

Pusiaujo vėjai Antarktidoje

Dar vieną reiškinį, susijusį su bangomis atmosferoje, neseniai paaiškino amerikiečių mokslininkai iš Clemson universiteto Pietų Karolinoje ir Kolorado universiteto Boulderyje.

Stebėdami poliarinius sūkurius McMurdo stotyje Antarktidoje – masyvias apskritas šalto oro sroves, kurios spirale teka per kiekvieną Žemės ašigalį – jie pastebėjo, kad Antarkties sūkurys yra sinchroniškas su kas dvejus metus vykstančių svyravimų atmosferoje (QBO) fazėmis.

Maždaug kas dvejus metus ties Žemės pusiauju pučiantys platumos vėjai keičia kryptį iš rytų į vakarus. Frontas prasideda daugiau nei 30 kilometrų aukštyje stratosferoje ir juda žemyn maždaug vieno kilometro per mėnesį greičiu. Po 13-14 mėnesių vėjo inversija vyksta vienu metu visame pusiaujuje. Todėl visas ciklas trunka nuo 26 iki 28 mėnesių.

Bendra kvazi-dviejų metų svyravimų schema

Amerikiečiai nustatė, kad rytinėje QBO fazėje Antarkties sūkurys plečiasi ir susitraukia vakarinėje fazėje. Tai paaiškinama dienovidinių gravitacinių bangų perėjimu iš pusiaujo į ašigalius per skirtingus atmosferos sluoksnius.

Šios bangos buvo užfiksuotos ir teigta, kad jos yra susijusios su vėjų, pučiančių ties pusiauju, kryptimi – daugiau nei devynių tūkstančių kilometrų atstumu nuo stebėjimo vietos. Tai visiškai patvirtino palyginimas su NASA meteorologinės ir atmosferos stebėjimo sistemos MERRA-2 duomenimis 1999–2019 m.

Jau seniai žinoma, kad išsiplėtus poliarinio sūkurio zonai iki vidutinių platumų atkeliauja šalti orai. Tačiau faktas, kad pagrindinė priežastis yra stratosferinių vėjų krypties pasikeitimas tropikuose, nustebino.

Mokslininkai tikisi, kad jų nustatyti modeliai padės sukurti tikslesnius klimato ir atmosferos cirkuliacijos modelius orų prognozavimui. Kartu jie susirūpinę, kad pastaraisiais dešimtmečiais antropogeninių veiksnių įtaka didėja.

Taigi prieš ketverius metus pastebėjome FTC cikliškumo pažeidimą. 2016 metų vasarį staiga nutrūko perėjimas prie rytų vėjo. Viena iš galimų priežasčių yra visuotinis atšilimas.

Pavojaus varpas

Dar didesnį susirūpinimą kelia vis dažnėjantys ekstremalūs oro reiškiniai, dažnai susiję su atmosferos bangų anomalijomis. Visų pirma mokslininkai atkreipia dėmesį į beveik stacionarių atmosferos Rossby bangų atsiradimą šiauriniame pusrutulyje.

„Rossby Waves“yra milžiniški vingiai didelio aukščio vėjuose, kurie daro didelę įtaką orui. Jei jie pereina į beveik stacionarią būseną, ciklonų ir anticiklonų kaita sustabdoma. Dėl to kai kur lyja ištisas savaites, peraugdamas į potvynius, o kitur – nenormalus karštis, kaip šiemet Arktyje.

Centrinę ir Šiaurės Ameriką, Vidurio ir Rytų Europą, Kaspijos jūros regioną ir Rytų Aziją kelis kartus vasarą užklupusios karščio bangos ir sausros, trunkančios vieną ar dvi savaites, daro didelę žalą žemės ūkiui. Jau kelerius metus iš eilės čia mažėja derlius, o tai apsunkina socialinę situaciją.

Tad Žemės „muzika“vis dažniau skamba ne kaip švelni melodija, o kaip nerimą keliantis pavojaus varpas.