Atmosférická rezonancia, čo je to za jav a dokáže predpovedať počasie?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Zemská atmosféra vibruje ako obrovský zvon: vlny sa šíria pozdĺž rovníka v oboch smeroch a obklopujú zemeguľu. K tomuto záveru dospeli vedci z Japonska a Spojených štátov, čím sa potvrdila dlhotrvajúca hypotéza o atmosférickej rezonancii. Čo je to za jav a dá sa pomocou neho predpovedať počasie a dlhodobé klimatické zmeny?

Laplaceove vlny

Začiatkom 19. storočia francúzsky fyzik a matematik Pierre-Simon Laplace prirovnal zemskú atmosféru k obrovskému oceánu pokrývajúcemu planétu a odvodil z toho vzorce, dnes známe ako Laplaceove slapové rovnice, používané pri výpočtoch na tvorbu predpovedí počasia.

Laplace veril, že atmosféra má svoj vlastný príliv a odliv, ako aj vlny vzdušných hmôt a tepelnú energiu. Okrem iného spomenul vertikálne oscilácie pri povrchu Zeme, šíriace sa v horizontálnom smere, ktoré možno zaznamenať zmenami povrchového tlaku.

Atmosférické tepelné prílivy spojené s rotáciou Zeme už dávno objavili geofyzici. Horizontálne vlny však nebolo možné zistiť. A teraz je jasné prečo.

Ako zistili Takatoshi Sakazaki z Graduate School of Science Kjótskej univerzity a Kevin Hamilton, profesor Medzinárodného tichomorského výskumného centra na Havajskej univerzite v Manoa, Laplaceove vlny majú veľmi veľké stupnice – pokrývajú takmer celé hemisféry – a sú veľmi krátke. obdobia, menej ako jeden deň.

Preto boli prehliadané pri skúmaní lokálnych atmosférických javov, akými sú búrky, a pri skúmaní veľkých, no dlhodobých pohybov vzdušných hmôt.

Schéma horizontálnych vlnových dĺžok a periód atmosférických javov, ktoré predtým študovali vedci. Hviezda sú prílivové vlny. Červená kontúra - zóna rezonancie Laplaceovej vlny

"šachovnica" Zeme

Autori štúdie analyzovali údaje z Európskeho centra pre strednodobé predpovede počasia (ECMWF) za 38 rokov – od roku 1979 do roku 2016 vrátane, vrátane hodinových zmien povrchového atmosférického tlaku na celom povrchu planéty. V dôsledku toho boli identifikované desiatky predtým neznámych vlnových módov - systémov harmonických oscilácií, ktoré vedci nazývajú módy.

Výskumníkov zaujali najmä vlny s krátkymi periódami od dvoch do 33 hodín, šíriace sa horizontálne v atmosfére po celej zemeguli obrovskou rýchlosťou – viac ako 1100 kilometrov za hodinu.

Zóny vysokého a nízkeho tlaku spojené s týmito vlnami vytvárajú na mape charakteristický šachovnicový vzor, ktorý sa však líši pre každý zo štyroch hlavných režimov – Kelvin, Rossby, gravitačné vlny a kombinácia posledných dvoch.

Šachovnicový vzor vytvorený oblasťami nízkeho (modrého) a vysokého (červeného) tlaku. Ako príklad sú znázornené dva zo štyroch hlavných režimov – Kelvin a gravitačný s periódami oscilácií zemskej atmosféry 32, 4 a 9, 4 hodiny. Výsledky počítačovej simulácie

Vzduchový zvonček

Ukázalo sa, že zemská atmosféra je ako vyzváňajúci zvon, keď sa na hlavnom nízkofrekvenčnom pozadí prekrývajú vysoké tóny. Práve táto kombinácia hlbokého zvuku na pozadí s jemnými presahmi robí zvonenie tak príjemným.

Len „hudbou“Zeme nie je zvuk, ale vlny atmosférického tlaku, pokrývajúce celú zemeguľu. Každý zo štyroch hlavných režimov je rezonanciou atmosféry, analogicky s rezonanciami zvonu. V tomto prípade sa nízkofrekvenčné Kelvinove vlny šíria z východu na západ a zvyšok - zo západu na východ.

Vedci vypočítali parametre rezonancie vyplývajúce z pridania všetkých štyroch režimov, presne sa zhodovali s predpoveďami Laplace. A to potvrdilo jeho hlavnú myšlienku, že počasie riadia vlny atmosférického tlaku.

"Je potešujúce, že vízia Laplacea a ďalších priekopníckych fyzikov bola plne potvrdená o dve storočia neskôr," citoval Takatoshi Sakazaki v tlačovej správe Havajskej univerzity v Manoa.

"Naša identifikácia toľkých režimov v údajoch z reálneho sveta ukazuje, že atmosféra naozaj zvoní ako zvon," pokračuje Hamilton.

Ako možné príčiny globálnej rezonancie autori označujú výskyt skrytých vykurovacích zón v dôsledku atmosférickej konvekcie a kaskádového mechanizmu šírenia turbulentných energetických tokov.

Posun oblastí nízkeho (modrá) a vysokého (červeného) tlaku pre každý zo štyroch hlavných režimov: A - Rossbyho vlny; B - Kelvinove vlny; С - gravitačné vlny; D - zmiešaný režim Rossby - gravitácia

Rovníkové vetry v Antarktíde

Ďalší jav spojený s vlnami v atmosfére nedávno vysvetlili americkí vedci z Clemson University v Južnej Karolíne a University of Colorado v Boulderi.

Pozorovaním polárnych vírov na stanici McMurdo v Antarktíde – masívnych kruhových prúdov studeného vzduchu, ktoré špirálovito prechádzajú cez každý z pólov Zeme – si všimli, že antarktický vír je synchrónny s fázami kvázi-dvojročných oscilácií v atmosfére (QBO).

Približne každé dva roky menia zemepisné vetry vanúce na zemskom rovníku smer z východu na západ. Front sa začína vo výške viac ako 30 kilometrov v stratosfére a pohybuje sa smerom nadol rýchlosťou asi jeden kilometer za mesiac. Po 13-14 mesiacoch dochádza súčasne k inverzii vetra pozdĺž celého rovníka. Kompletný cyklus preto trvá 26 až 28 mesiacov.

Všeobecná schéma kvázi-dvojročných oscilácií

Američania zistili, že počas východnej fázy QBO sa antarktický vír počas západnej fázy rozširuje a sťahuje. Vysvetľuje sa to prechodom poludníkových gravitačných vĺn z rovníka k pólom cez rôzne vrstvy atmosféry.

Tieto vlny boli zaznamenané a naznačili, že súvisia so zmenou smeru vetrov vanúcich na rovníku – vo vzdialenosti viac ako deväťtisíc kilometrov od miesta pozorovania. Porovnanie s údajmi z meteorologického a atmosférického pozorovacieho systému NASA MERRA-2 za obdobie rokov 1999 až 2019 to plne potvrdilo.

Už dlho je známe, že rozšírenie zóny polárneho vortexu prináša chladné počasie do stredných zemepisných šírok. Fakt, že hlavnou príčinou je zmena smeru stratosférických vetrov v trópoch, však prekvapil.

Vedci dúfajú, že vzory, ktoré identifikovali, povedú k presnejším modelom klímy a atmosférickej cirkulácie na predpovedanie počasia. Zároveň ich znepokojuje, že v posledných desaťročiach narastá vplyv antropogénnych faktorov.

Pred štyrmi rokmi sme teda zaznamenali porušenie cyklickosti FTC. Vo februári 2016 bol prechod na východné vetry náhle prerušený. Jednou z možných príčin je globálne otepľovanie.

Poplachový zvonček

Ešte väčšie obavy vyvoláva narastajúca frekvencia extrémnych poveternostných javov, často spojených aj s anomáliami atmosférických vĺn. Vedci poukazujú najmä na výskyt kvázistacionárnych atmosférických Rossbyho vĺn na severnej pologuli.

Rossby Waves sú obrovské zákruty vo vysokohorských vetroch, ktoré majú hlboký vplyv na počasie. Ak prejdú do kvázistacionárneho stavu, zmena cyklón a anticyklón sa pozastaví. Výsledkom je, že na niektorých miestach celé týždne prší a mení sa na záplavy, inde sú zase abnormálne horúčavy, ako tento rok v Arktíde.

Vlny horúčav a suchá, ktoré počas leta niekoľkokrát zasiahnu Strednú a Severnú Ameriku, Strednú a Východnú Európu, oblasť Kaspického mora a Východnú Áziu a trvajú jeden až dva týždne, spôsobujú vážne škody v poľnohospodárstve. Už niekoľko rokov po sebe tu klesá úroda, čo komplikuje spoločenskú situáciu.

Takže „hudba“Zeme čoraz častejšie znie nie ako jemná melódia, ale ako alarmujúce zvonenie.