Resonans atmosfera, apakah fenomena ini dan bolehkah ia meramalkan cuaca?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Atmosfera bumi bergetar seperti loceng gergasi: ombak bergerak di sepanjang khatulistiwa di kedua-dua arah, mengelilingi dunia. Kesimpulan ini dicapai oleh saintis dari Jepun dan Amerika Syarikat, mengesahkan hipotesis lama resonans atmosfera. Apakah fenomena ini dan bolehkah ia digunakan untuk meramal cuaca dan perubahan iklim jangka panjang?

ombak Laplace

Pada awal abad ke-19, ahli fizik dan matematik Perancis Pierre-Simon Laplace membandingkan atmosfera Bumi dengan lautan luas yang meliputi planet ini dan formula terbitan, yang dikenali hari ini sebagai persamaan pasang surut Laplace, digunakan dalam pengiraan untuk membuat ramalan cuaca.

Laplace percaya bahawa atmosfera mempunyai pasang surutnya sendiri, serta gelombang jisim udara dan tenaga haba. Antara lain, beliau menyebut ayunan menegak di permukaan Bumi, merambat dalam arah mendatar, yang boleh direkodkan oleh perubahan tekanan permukaan.

Pasang surut haba atmosfera yang dikaitkan dengan putaran Bumi telah lama ditemui oleh ahli geofizik. Bagaimanapun, gelombang mendatar tidak dapat dikesan. Dan kini jelas mengapa.

Seperti yang diketahui oleh Takatoshi Sakazaki dari Sekolah Siswazah Sains Universiti Kyoto dan Kevin Hamilton, profesor Pusat Penyelidikan Pasifik Antarabangsa di Universiti Hawaii di Manoa, gelombang Laplace mempunyai skala yang sangat besar - ia meliputi hampir keseluruhan hemisfera - dan sangat pendek haid, kurang dari sehari.

Oleh itu, mereka diabaikan dalam kajian fenomena atmosfera tempatan, seperti ribut petir, dan dalam kajian pergerakan jisim udara yang besar tetapi jangka panjang.

Gambar rajah panjang gelombang mendatar dan tempoh fenomena atmosfera yang sebelum ini dikaji oleh saintis. Bintang itu adalah gelombang pasang surut. Kontur merah - Zon resonans gelombang Laplace

"Papan Catur" Bumi

Pengarang kajian menganalisis data daripada Pusat Eropah untuk Ramalan Cuaca Julat Sederhana (ECMWF) selama 38 tahun - dari 1979 hingga 2016 termasuk, termasuk perubahan setiap jam dalam tekanan atmosfera permukaan merentasi seluruh permukaan planet ini. Akibatnya, berpuluh-puluh mod gelombang yang tidak diketahui sebelum ini dikenal pasti - sistem ayunan harmonik, yang dipanggil oleh saintis sebagai mod.

Para penyelidik sangat berminat dengan ombak dengan tempoh yang singkat dari dua hingga 33 jam, menyebar secara mendatar di atmosfera di seluruh dunia pada kelajuan yang luar biasa - lebih daripada 1100 kilometer sejam.

Zon tekanan tinggi dan rendah yang dikaitkan dengan gelombang ini mencipta corak papan dam ciri pada peta, yang bagaimanapun, berbeza untuk setiap empat mod utama - Kelvin, Rossby, gelombang graviti dan gabungan dua yang terakhir.

Corak papan dam yang dicipta oleh kawasan tekanan rendah (biru) dan tinggi (merah). Sebagai contoh, dua daripada empat mod utama ditunjukkan - Kelvin dan graviti dengan tempoh ayunan atmosfera Bumi selama 32, 4 dan 9, 4 jam. Hasil simulasi komputer

Loceng udara

Ternyata atmosfera Bumi adalah seperti loceng yang berbunyi, apabila nada tinggi ditindih pada latar belakang frekuensi rendah utama. Gabungan bunyi latar belakang yang dalam dengan limpahan halus inilah yang menjadikan bunyi loceng sangat menyeronokkan.

Hanya "muzik" Bumi bukan bunyi, tetapi gelombang tekanan atmosfera, meliputi seluruh dunia. Setiap daripada empat mod utama ialah resonans atmosfera, dengan analogi dengan resonans loceng. Dalam kes ini, gelombang Kelvin frekuensi rendah merambat dari timur ke barat, dan selebihnya - dari barat ke timur.

Para saintis mengira parameter resonans yang timbul daripada penambahan semua empat mod, betul-betul bertepatan dengan ramalan Laplace. Dan ini mengesahkan idea utamanya bahawa cuaca dikawal oleh gelombang tekanan atmosfera.

"Adalah menggembirakan kerana visi Laplace dan ahli fizik perintis lain telah disahkan sepenuhnya dua abad kemudian," kata Takatoshi Sakazaki dalam kenyataan akhbar dari Universiti Hawaii di Manoa.

"Pengenalpastian kami terhadap banyak mod dalam data dunia nyata menunjukkan bahawa atmosfera benar-benar berdering seperti loceng," Hamilton meneruskan.

Penulis menamakan kejadian zon pemanasan tersembunyi akibat perolakan atmosfera dan mekanisme lata perambatan aliran tenaga bergelora sebagai kemungkinan penyebab resonans global.

Anjakan kawasan tekanan rendah (biru) dan tinggi (merah) untuk setiap empat mod utama: A - Gelombang Rossby; B - gelombang Kelvin; С - gelombang graviti; D - mod campuran Rossby - graviti

Angin khatulistiwa di Antartika

Satu lagi fenomena yang dikaitkan dengan ombak di atmosfera baru-baru ini dijelaskan oleh saintis Amerika dari Universiti Clemson di Carolina Selatan dan Universiti Colorado di Boulder.

Memerhati vorteks kutub di stesen McMurdo di Antartika - arus bulat besar udara sejuk yang berputar di atas setiap kutub Bumi - mereka mendapati bahawa pusaran Antartika adalah segerak dengan fasa ayunan separa dwitahunan di atmosfera (QBO).

Kira-kira setiap dua tahun, angin latitudin yang bertiup di khatulistiwa Bumi bertukar arah dari timur ke barat. Bahagian hadapan bermula pada ketinggian lebih daripada 30 kilometer di stratosfera dan bergerak ke bawah pada kelajuan kira-kira satu kilometer sebulan. Selepas 13-14 bulan, penyongsangan angin berlaku serentak di sepanjang keseluruhan khatulistiwa. Oleh itu, kitaran lengkap mengambil masa dari 26 hingga 28 bulan.

Skim umum ayunan kuasi dwitahunan

Orang Amerika mendapati bahawa semasa fasa timur QBO, pusaran Antartika mengembang dan mengecut semasa fasa barat. Ini dijelaskan oleh laluan gelombang graviti meridional dari khatulistiwa ke kutub melalui lapisan atmosfera yang berbeza.

Gelombang ini direkodkan dan dicadangkan bahawa ia dikaitkan dengan perubahan arah angin bertiup di khatulistiwa - pada jarak lebih sembilan ribu kilometer dari tapak cerapan. Perbandingan dengan data daripada sistem pemerhatian meteorologi dan atmosfera MERRA-2 NASA untuk tempoh dari 1999 hingga 2019 mengesahkan ini sepenuhnya.

Telah lama diketahui bahawa pengembangan zon vorteks kutub membawa cuaca sejuk ke latitud pertengahan. Walau bagaimanapun, hakikat bahawa punca utama adalah perubahan arah angin stratosfera di kawasan tropika mengejutkan.

Para saintis berharap corak yang telah mereka kenal pasti akan membawa kepada model iklim dan peredaran atmosfera yang lebih tepat untuk ramalan cuaca. Pada masa yang sama, mereka bimbang bahawa dalam beberapa dekad kebelakangan ini, kesan faktor antropogenik telah meningkat.

Jadi, empat tahun lalu, kami melihat pelanggaran kitaran FTC. Pada Februari 2016, peralihan kepada angin timur telah terganggu secara tiba-tiba. Salah satu sebab yang mungkin adalah pemanasan global.

Loceng penggera

Kebimbangan yang lebih besar ialah kekerapan kejadian cuaca ekstrem yang semakin meningkat, sering juga dikaitkan dengan anomali gelombang atmosfera. Khususnya, saintis menunjukkan kejadian gelombang Rossby atmosfera separa pegun di Hemisfera Utara.

Gelombang Rossby ialah selekoh gergasi dalam angin altitud tinggi yang mempunyai kesan mendalam terhadap cuaca. Jika ia memasuki keadaan separa pegun, perubahan siklon dan antisiklon akan digantung. Akibatnya, di sesetengah tempat hujan turun selama berminggu-minggu, bertukar menjadi banjir, manakala di tempat lain, haba tidak normal berlaku, seperti tahun ini di Artik.

Gelombang haba dan kemarau yang melanda Amerika Tengah dan Utara, Eropah Tengah dan Timur, rantau Laut Caspian dan Asia Timur beberapa kali sepanjang musim panas dan berlarutan selama satu hingga dua minggu, menyebabkan kerosakan serius kepada pertanian. Selama beberapa tahun berturut-turut, hasil tuaian semakin berkurangan di sini, yang merumitkan keadaan sosial.

Jadi "muzik" Bumi semakin kerap berbunyi bukan seperti melodi lembut, tetapi loceng penggera yang membimbangkan.