Съдържание:

Атмосферен резонанс, какво е това явление и може ли да предскаже времето?
Атмосферен резонанс, какво е това явление и може ли да предскаже времето?

Видео: Атмосферен резонанс, какво е това явление и може ли да предскаже времето?

Видео: Атмосферен резонанс, какво е това явление и може ли да предскаже времето?
Видео: Иван Васильевич меняет профессию (FullHD, комедия, реж. Леонид Гайдай, 1973 г.) 2024, Март
Anonim

Земната атмосфера вибрира като гигантска камбана: вълните се движат по екватора в двете посоки, заобикаляйки земното кълбо. До това заключение стигнаха учени от Япония и САЩ, потвърждавайки дългогодишната хипотеза за атмосферния резонанс. Какво представлява това явление и може ли да се използва за прогнозиране на времето и дългосрочните климатични промени?

Вълни на Лаплас

В началото на 19-ти век френският физик и математик Пиер-Симон Лаплас сравнява земната атмосфера с огромен океан, покриващ планетата, и извежда формули, известни днес като приливните уравнения на Лаплас, използвани в изчисленията за изготвяне на прогнози за времето.

Лаплас вярвал, че атмосферата има свои собствени приливи и отливи, както и вълни от въздушни маси и топлинна енергия. Наред с други неща, той споменава вертикални трептения на повърхността на Земята, разпространяващи се в хоризонтална посока, които могат да бъдат записани чрез промени в повърхностното налягане.

Атмосферните топлинни приливи, свързани с въртенето на Земята, отдавна са открити от геофизици. Хоризонталните вълни обаче не могат да бъдат открити. И сега е ясно защо.

Както Такатоши Саказаки от Висшето училище по наука на Университета в Киото и Кевин Хамилтън, професор от Международния тихоокеански изследователски център в Хавайския университет в Маноа, откриха, вълните на Лаплас имат много големи мащаби - те покриват почти цели полукълба - и много къси периоди, по-малко от един ден.

Поради това те бяха пренебрегнати при изучаването на местни атмосферни явления, като гръмотевични бури, и при изучаването на големи, но продължителни движения на въздушните маси.

Image
Image

Диаграма на хоризонтални дължини на вълните и периоди на атмосферни явления, които преди това са били изследвани от учени. Звездата е приливни вълни. Червен контур - резонансна зона на вълната на Лаплас

"Шахматна дъска" на Земята

Авторите на изследването анализираха данни от Европейския център за средносрочни прогнози за времето (ECMWF) за 38 години - от 1979 г. до 2016 г. включително, включително почасови промени в повърхностното атмосферно налягане по цялата повърхност на планетата. В резултат на това бяха идентифицирани десетки неизвестни досега вълнови режими - системи от хармонични трептения, които учените наричат режими.

Изследователите бяха особено заинтересовани от вълни с кратки периоди от два до 33 часа, разпространяващи се хоризонтално в атмосферата около земното кълбо с огромна скорост - повече от 1100 километра в час.

Зоните с високо и ниско налягане, свързани с тези вълни, създават характерен шахматен модел на картата, който обаче се различава за всеки от четирите основни режима – Келвин, Росби, гравитационни вълни и комбинация от последните два.

Image
Image

Шахматна дъска, създадена от областите с ниско (синьо) и високо (червено) налягане. Като пример са показани два от четирите основни режима - Келвин и гравитационен с периоди на трептене на земната атмосфера от 32, 4 и 9, 4 часа. Резултати от компютърна симулация

Въздушен звънец

Оказа се, че земната атмосфера е като звънящ звънец, когато върху основния нискочестотен фон се наслагват високи обертонове. Именно тази комбинация от дълбок фонов звук с фини преливания прави звъненето толкова приятно.

Само "музиката" на Земята не е звук, а вълни от атмосферно налягане, покриващи цялото земно кълбо. Всеки от четирите основни режима е резонанс на атмосферата, по аналогия с резонансите на камбана. В този случай нискочестотните вълни на Келвин се разпространяват от изток на запад, а останалите - от запад на изток.

Учените изчислили параметрите на резонанса, произтичащи от добавянето на всичките четири режима, точно съвпаднали с предсказанията на Лаплас. И това потвърди основната му идея, че времето се контролира от вълни на атмосферно налягане.

„Удовлетворително е, че визията на Лаплас и други физици-пионери беше напълно потвърдена два века по-късно“, цитира Такатоши Саказаки в прессъобщение от Хавайския университет в Маноа.

„Нашето идентифициране на толкова много режими в реалните данни показва, че атмосферата наистина звъни като камбана“, продължава Хамилтън.

Авторите посочват като възможни причини за глобален резонанс възникването на скрити зони на нагряване поради атмосферна конвекция и каскадния механизъм на разпространение на турбулентни енергийни потоци.

Image
Image

Изместване на областите на ниско (синьо) и високо (червено) налягане за всеки от четирите основни режима: А - вълни на Росби; B - Келвинови вълни; С - гравитационни вълни; D - смесен режим Росби - гравитация

Екваториални ветрове в Антарктида

Друг феномен, свързан с вълните в атмосферата, наскоро беше обяснен от американски учени от университета Клемсън в Южна Каролина и Университета на Колорадо в Боулдър.

Наблюдавайки полярните вихри на станция Макмърдо в Антарктида - масивни кръгови потоци от студен въздух, които спират над всеки от полюсите на Земята - те забелязаха, че антарктическият вихър е синхронен с фазите на квази-двугодишните колебания в атмосферата (QBO).

Приблизително на всеки две години широчинните ветрове, духащи на земния екватор, променят посоката си от изток на запад. Фронтът започва на височина над 30 километра в стратосферата и се движи надолу със скорост от около един километър на месец. След 13-14 месеца инверсията на вятъра настъпва едновременно по целия екватор. Следователно пълен цикъл отнема от 26 до 28 месеца.

Image
Image

Обща схема на квази-двугодишните трептения

Американците откриха, че по време на източната фаза на QBO, антарктическият вихър се разширява и свива по време на западната фаза. Това се обяснява с преминаването на меридионални гравитационни вълни от екватора към полюсите през различни слоеве на атмосферата.

Тези вълни са записани и предполагат, че са свързани с промяна в посоката на ветровете, духащи на екватора - на разстояние повече от девет хиляди километра от мястото на наблюдение. Сравнението с данните от системата за метеорологично и атмосферно наблюдение MERRA-2 на НАСА за периода от 1999 до 2019 г. напълно потвърди това.

Отдавна е известно, че разширяването на зоната на полярните вихри носи студено време до средните ширини. Въпреки това фактът, че основната причина е промяна в посоката на стратосферните ветрове в тропиците, беше изненада.

Учените се надяват, че моделите, които са идентифицирали, ще доведат до по-точни модели на климата и атмосферната циркулация за прогнозиране на времето. В същото време те са загрижени, че през последните десетилетия влиянието на антропогенните фактори се засилва.

И така, преди четири години забелязахме нарушение на цикличността на FTC. През февруари 2016 г. преходът към източни ветрове беше внезапно прекъснат. Една от възможните причини е глобалното затопляне.

Алармен звънец

Още по-голямо безпокойство предизвиква нарастващата честота на екстремни метеорологични явления, често свързани и с аномалии на атмосферните вълни. По-специално, учените посочват появата на квазистационарни атмосферни вълни на Росби в Северното полукълбо.

Вълните на Росби са гигантски завои на ветрове на голяма надморска височина, които оказват дълбоко влияние върху времето. Ако преминат в квазистационарно състояние, смяната на циклони и антициклони се преустановява. В резултат на това на някои места вали в продължение на седмици, превръщайки се в наводнения, а на други се задава необичайна жега, както тази година в Арктика.

Топлините и сушите, удрящи Централна и Северна Америка, Централна и Източна Европа, региона на Каспийско море и Източна Азия няколко пъти през лятото и продължаващи една до две седмици, причиняват сериозни щети на селското стопанство. От няколко поредни години тук реколтите намаляват, което усложнява социалната ситуация.

Така че "музиката" на Земята все по-често звучи не като нежна мелодия, а като тревожен алармен звънец.

Препоръчано: