Ατμοσφαιρικός συντονισμός, τι είναι αυτό το φαινόμενο και μπορεί να προβλέψει τον καιρό;

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Η ατμόσφαιρα της Γης δονείται σαν μια γιγάντια καμπάνα: τα κύματα ταξιδεύουν κατά μήκος του ισημερινού και προς τις δύο κατευθύνσεις, περικυκλώνοντας την υδρόγειο. Σε αυτό το συμπέρασμα κατέληξαν επιστήμονες από την Ιαπωνία και τις Ηνωμένες Πολιτείες, επιβεβαιώνοντας τη μακροχρόνια υπόθεση του ατμοσφαιρικού συντονισμού. Τι είναι αυτό το φαινόμενο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη του καιρού και της μακροπρόθεσμης κλιματικής αλλαγής;

Κύματα Laplace

Στις αρχές του 19ου αιώνα, ο Γάλλος φυσικός και μαθηματικός Pierre-Simon Laplace συνέκρινε την ατμόσφαιρα της Γης με έναν απέραντο ωκεανό που καλύπτει τον πλανήτη και εξήγαγε τύπους, γνωστούς σήμερα ως παλιρροϊκές εξισώσεις του Laplace, που χρησιμοποιούνται σε υπολογισμούς για να κάνουν προβλέψεις καιρού.

Ο Laplace πίστευε ότι η ατμόσφαιρα έχει τη δική της άμπωτη και ροή, καθώς και κύματα αέριων μαζών και θερμικής ενέργειας. Μεταξύ άλλων, αναφέρθηκε σε κάθετες ταλαντώσεις στην επιφάνεια της Γης, που διαδίδονται στην οριζόντια κατεύθυνση, οι οποίες μπορούν να καταγραφούν από αλλαγές στην επιφανειακή πίεση.

Οι ατμοσφαιρικές θερμικές παλίρροιες που σχετίζονται με την περιστροφή της Γης έχουν ανακαλυφθεί εδώ και καιρό από γεωφυσικούς. Ωστόσο, δεν ήταν δυνατό να εντοπιστούν οριζόντια κύματα. Και τώρα είναι ξεκάθαρο γιατί.

Όπως ανακάλυψαν ο Takatoshi Sakazaki του Graduate School of Science του Πανεπιστημίου του Κιότο και ο Kevin Hamilton, καθηγητής του International Pacific Research Center στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης στο Manoa, τα κύματα Laplace έχουν πολύ μεγάλες κλίμακες - καλύπτουν σχεδόν ολόκληρα ημισφαίρια - και πολύ κοντά περιόδους, λιγότερο από μία ημέρα.

Ως εκ τούτου, παραβλέφθηκαν στη μελέτη τοπικών ατμοσφαιρικών φαινομένων, όπως οι καταιγίδες, και στη μελέτη μεγάλων, αλλά μακροπρόθεσμων κινήσεων των μαζών αέρα.

Διάγραμμα οριζόντιων μηκών κύματος και περιόδων ατμοσφαιρικών φαινομένων που είχαν μελετηθεί προηγουμένως από επιστήμονες. Το αστέρι είναι παλιρροϊκά κύματα. Κόκκινο περίγραμμα - Ζώνη συντονισμού κυμάτων Laplace

«Σκακιέρα» της Γης

Οι συγγραφείς της μελέτης ανέλυσαν δεδομένα από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Μεσοπρόθεσμων Προγνώσεων Καιρού (ECMWF) για 38 χρόνια - από το 1979 έως το 2016 συμπεριλαμβανομένου, συμπεριλαμβανομένων ωριαίων αλλαγών στην επιφανειακή ατμοσφαιρική πίεση σε ολόκληρη την επιφάνεια του πλανήτη. Ως αποτέλεσμα, εντοπίστηκαν δεκάδες προηγουμένως άγνωστοι τρόποι κυμάτων - συστήματα αρμονικών ταλαντώσεων, που οι επιστήμονες αποκαλούν τρόπους.

Οι ερευνητές ενδιαφέρθηκαν ιδιαίτερα για τα κύματα με μικρές περιόδους από δύο έως και 33 ώρες, που διαδίδονται οριζόντια στην ατμόσφαιρα σε όλο τον κόσμο με τεράστια ταχύτητα - πάνω από 1100 χιλιόμετρα την ώρα.

Οι ζώνες υψηλής και χαμηλής πίεσης που σχετίζονται με αυτά τα κύματα δημιουργούν ένα χαρακτηριστικό μοτίβο σκακιέρας στον χάρτη, το οποίο, ωστόσο, διαφέρει για κάθε έναν από τους τέσσερις κύριους τρόπους λειτουργίας - Kelvin, Rossby, βαρυτικά κύματα και συνδυασμό των δύο τελευταίων.

Ένα σχέδιο σκακιέρας που δημιουργείται από τις περιοχές χαμηλής (μπλε) και υψηλής (κόκκινης) πίεσης. Ως παράδειγμα, παρουσιάζονται δύο από τους τέσσερις κύριους τρόπους λειτουργίας - Kelvin και βαρυτική με περιόδους ταλάντωσης της ατμόσφαιρας της Γης 32, 4 και 9, 4 ωρών. Αποτελέσματα προσομοίωσης υπολογιστή

Αεροκουδούνι

Αποδείχθηκε ότι η ατμόσφαιρα της Γης είναι σαν ένα κουδούνι που χτυπά, όταν οι υψηλοί τόνοι υπερτίθενται στο κύριο φόντο χαμηλής συχνότητας. Αυτός ο συνδυασμός του βαθιού ήχου φόντου με τις ανεπαίσθητες υπερχειλίσεις είναι που κάνει το κουδούνι τόσο ευχάριστο.

Μόνο που η «μουσική» της Γης δεν είναι ήχος, αλλά κύματα ατμοσφαιρικής πίεσης, που καλύπτουν ολόκληρη την υδρόγειο. Καθένας από τους τέσσερις κύριους τρόπους είναι μια αντήχηση της ατμόσφαιρας, κατ' αναλογία με τους συντονισμούς ενός κουδουνιού. Σε αυτή την περίπτωση, τα κύματα Kelvin χαμηλής συχνότητας διαδίδονται από την ανατολή προς τη δύση και τα υπόλοιπα - από τη δύση προς την ανατολή.

Οι επιστήμονες υπολόγισαν τις παραμέτρους του συντονισμού που προκύπτουν από την προσθήκη και των τεσσάρων τρόπων, ακριβώς συνέπεσαν με τις προβλέψεις του Laplace. Και αυτό επιβεβαίωσε την κύρια ιδέα του ότι ο καιρός ελέγχεται από κύματα ατμοσφαιρικής πίεσης.

«Είναι ευχάριστο που το όραμα του Laplace και άλλων πρωτοπόρων φυσικών επιβεβαιώθηκε πλήρως δύο αιώνες αργότερα», ανέφερε ο Takatoshi Sakazaki σε δελτίο τύπου από το Πανεπιστήμιο της Χαβάης στο Manoa.

«Η ταυτοποίησή μας τόσων πολλών τρόπων λειτουργίας σε δεδομένα του πραγματικού κόσμου δείχνει ότι η ατμόσφαιρα χτυπάει πραγματικά σαν καμπάνα», συνεχίζει ο Χάμιλτον.

Οι συγγραφείς ονομάζουν την εμφάνιση κρυφών ζωνών θέρμανσης λόγω της ατμοσφαιρικής μεταφοράς και τον καταρράκτη μηχανισμό διάδοσης των τυρβωδών ροών ενέργειας ως πιθανές αιτίες του παγκόσμιου συντονισμού.

Μετατόπιση των περιοχών χαμηλής (μπλε) και υψηλής (κόκκινης) πίεσης για καθένα από τους τέσσερις κύριους τρόπους λειτουργίας: A - Κύματα Rossby. Β - Κύματα Kelvin. С - βαρυτικά κύματα. D - μικτή λειτουργία Rossby - βαρύτητα

Ισημερινοί άνεμοι στην Ανταρκτική

Ένα άλλο φαινόμενο που σχετίζεται με τα κύματα στην ατμόσφαιρα εξηγήθηκε πρόσφατα από Αμερικανούς επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Clemson στη Νότια Καρολίνα και το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder.

Παρατηρώντας πολικές δίνες στο σταθμό McMurdo στην Ανταρκτική - μαζικά κυκλικά ρεύματα ψυχρού αέρα που σπειροειδώς πάνω από κάθε πόλο της Γης - παρατήρησαν ότι η δίνη της Ανταρκτικής είναι σύγχρονη με τις φάσεις των οιονεί διετών ταλαντώσεων στην ατμόσφαιρα (QBO).

Περίπου κάθε δύο χρόνια, οι γεωγραφικοί άνεμοι που πνέουν στον ισημερινό της Γης αλλάζουν κατεύθυνση από ανατολικά προς δυτικά. Το μέτωπο ξεκινά σε υψόμετρο πάνω από 30 χιλιόμετρα στη στρατόσφαιρα και κινείται προς τα κάτω με ταχύτητα περίπου ενός χιλιομέτρου το μήνα. Μετά από 13-14 μήνες, η αναστροφή του ανέμου συμβαίνει ταυτόχρονα σε ολόκληρο τον ισημερινό. Ένας πλήρης κύκλος, λοιπόν, διαρκεί από 26 έως 28 μήνες.

Γενικό σχήμα οιονεί διετών ταλαντώσεων

Οι Αμερικανοί διαπίστωσαν ότι κατά την ανατολική φάση του QBO, η δίνη της Ανταρκτικής διαστέλλεται και συστέλλεται κατά τη δυτική φάση. Αυτό εξηγείται από το πέρασμα των μεσημβρινών βαρυτικών κυμάτων από τον ισημερινό στους πόλους μέσω διαφορετικών στρωμάτων της ατμόσφαιρας.

Αυτά τα κύματα καταγράφηκαν και πρότειναν ότι σχετίζονται με μια αλλαγή στην κατεύθυνση των ανέμων που πνέουν στον ισημερινό - σε απόσταση μεγαλύτερη από εννέα χιλιάδες χιλιόμετρα από την τοποθεσία παρατήρησης. Η σύγκριση με τα δεδομένα από το μετεωρολογικό και ατμοσφαιρικό σύστημα παρατήρησης MERRA-2 της NASA για την περίοδο από το 1999 έως το 2019 το επιβεβαίωσε πλήρως.

Είναι από καιρό γνωστό ότι η επέκταση της ζώνης της πολικής δίνης φέρνει τον κρύο καιρό στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη. Ωστόσο, το γεγονός ότι η βασική αιτία είναι η αλλαγή στην κατεύθυνση των στρατοσφαιρικών ανέμων στις τροπικές περιοχές προκάλεσε έκπληξη.

Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι τα μοτίβα που έχουν εντοπίσει θα οδηγήσουν σε πιο ακριβή μοντέλα κλιματικής και ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας για την πρόγνωση του καιρού. Παράλληλα, ανησυχούν ότι τις τελευταίες δεκαετίες, η επίδραση των ανθρωπογενών παραγόντων αυξάνεται.

Έτσι, πριν από τέσσερα χρόνια, παρατηρήσαμε παραβίαση της κυκλικότητας του FTC. Τον Φεβρουάριο του 2016, η μετάβαση στους ανατολικούς ανέμους διακόπηκε απότομα. Ένας από τους πιθανούς λόγους είναι η υπερθέρμανση του πλανήτη.

Κουδούνι συναγερμού

Ακόμη μεγαλύτερη ανησυχία προκαλεί η αυξανόμενη συχνότητα ακραίων καιρικών φαινομένων, που συχνά συνδέονται και με ανωμαλίες ατμοσφαιρικών κυμάτων. Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες επισημαίνουν την εμφάνιση οιονεί ακίνητων ατμοσφαιρικών κυμάτων Rossby στο βόρειο ημισφαίριο.

Τα κύματα Rossby είναι γιγάντιες στροφές σε ανέμους μεγάλου υψομέτρου που έχουν βαθιά επίδραση στον καιρό. Αν περάσουν σε οιονεί ακίνητη κατάσταση, η αλλαγή κυκλώνων και αντικυκλώνων αναστέλλεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα σε ορισμένα σημεία να βρέχει για εβδομάδες, μετατρέποντας σε πλημμύρες, ενώ σε άλλα επικρατεί αφύσικη ζέστη, όπως φέτος στην Αρκτική.

Κύματα καύσωνα και ξηρασίες που πλήττουν την Κεντρική και Βόρεια Αμερική, την Κεντρική και Ανατολική Ευρώπη, την περιοχή της Κασπίας Θάλασσας και την Ανατολική Ασία πολλές φορές το καλοκαίρι και διαρκούν μία έως δύο εβδομάδες, προκαλούν σοβαρές ζημιές στη γεωργία. Εδώ και αρκετά συνεχόμενα χρόνια οι σοδειές μειώνονται, γεγονός που δυσχεραίνει την κοινωνική κατάσταση.

Έτσι η «μουσική» της Γης όλο και πιο συχνά δεν ακούγεται σαν μια απαλή μελωδία, αλλά ένα ανησυχητικό καμπανάκι κινδύνου.