Atmosférická rezonance, co je to za jev a může předpovídat počasí?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Zemská atmosféra vibruje jako obří zvon: vlny se šíří podél rovníku v obou směrech a obklopují zeměkouli. K tomuto závěru dospěli vědci z Japonska a Spojených států, čímž potvrdili dlouhodobou hypotézu atmosférické rezonance. Co je to za jev a lze jej použít k předpovědi počasí a dlouhodobých klimatických změn?

Laplaceovy vlny

Na počátku 19. století francouzský fyzik a matematik Pierre-Simon Laplace přirovnal zemskou atmosféru k obrovskému oceánu pokrývajícímu planetu a odvodil vzorce, dnes známé jako Laplaceovy slapové rovnice, používané při výpočtech k předpovědi počasí.

Laplace věřil, že atmosféra má svůj vlastní odliv a odliv, stejně jako vlny vzdušných hmot a tepelnou energii. Mimo jiné zmínil vertikální oscilace na povrchu Země, šířící se v horizontálním směru, které lze zaznamenat změnami povrchového tlaku.

Atmosférické tepelné přílivy spojené s rotací Země již dávno objevili geofyzikové. Horizontální vlny však nebylo možné detekovat. A teď je jasné proč.

Jak zjistili Takatoshi Sakazaki z Graduate School of Science Kjótské univerzity a Kevin Hamilton, profesor Mezinárodního tichomořského výzkumného centra na Havajské univerzitě v Manoa, Laplaceovy vlny mají velmi velká měřítka – pokrývají téměř celé polokoule – a velmi krátké. období, méně než jeden den.

Proto byli přehlíženi při studiu místních atmosférických jevů, jako jsou bouřky, a při studiu velkých, ale dlouhodobých pohybů vzdušných mas.

Diagram horizontálních vlnových délek a period atmosférických jevů, které dříve studovali vědci. Hvězdou jsou přílivové vlny. Červená kontura - Laplaceova vlnová rezonanční zóna

"šachovnice" Země

Autoři studie analyzovali data z Evropského centra pro střednědobé předpovědi počasí (ECMWF) za 38 let – od roku 1979 do roku 2016 včetně, včetně hodinových změn povrchového atmosférického tlaku na celém povrchu planety. V důsledku toho byly identifikovány desítky dříve neznámých vlnových módů – systémů harmonických oscilací, které vědci nazývají módy.

Vědce zajímaly zejména vlny s krátkými periodami od dvou do 33 hodin, šířící se horizontálně v atmosféře po celé zeměkouli obrovskou rychlostí – více než 1100 kilometrů za hodinu.

Zóny vysokého a nízkého tlaku spojené s těmito vlnami vytvářejí na mapě charakteristický šachovnicový vzor, který se však liší pro každý ze čtyř hlavních režimů – Kelvin, Rossby, gravitační vlny a kombinace posledních dvou.

Šachovnicový vzor vytvořený oblastí nízkého (modrého) a vysokého (červeného) tlaku. Jako příklad jsou uvedeny dva ze čtyř hlavních režimů – Kelvinův a gravitační s periodami oscilace zemské atmosféry 32, 4 a 9, 4 hodiny. Výsledky počítačové simulace

Vzduchový zvonek

Ukázalo se, že zemská atmosféra je jako zvonící zvon, když jsou na hlavním nízkofrekvenčním pozadí superponovány vysoké podtóny. Právě tato kombinace hlubokého zvuku na pozadí s jemnými přelivy dělá zvonění tak příjemným.

Jen "hudbou" Země není zvuk, ale vlny atmosférického tlaku, pokrývající celou zeměkouli. Každý ze čtyř hlavních režimů je rezonancí atmosféry, analogicky s rezonancemi zvonu. V tomto případě se nízkofrekvenční Kelvinovy vlny šíří z východu na západ a zbytek - ze západu na východ.

Vědci vypočítali parametry rezonance vzniklé přidáním všech čtyř módů, přesně se shodovaly s předpovědí Laplacea. A to potvrdilo jeho hlavní myšlenku, že počasí řídí vlny atmosférického tlaku.

"Je potěšující, že vize Laplacea a dalších průkopnických fyziků byla plně potvrzena o dvě století později," citoval Takatoshi Sakazaki v tiskové zprávě Havajské univerzity v Manoa.

"Naše identifikace tolika režimů v datech z reálného světa ukazuje, že atmosféra opravdu zvoní jako zvon," pokračuje Hamilton.

Jako možné příčiny globální rezonance autoři pojmenovávají výskyt skrytých topných zón v důsledku atmosférické konvekce a kaskádového mechanismu šíření turbulentních energetických toků.

Přemístění oblastí nízkého (modrá) a vysokého (červeného) tlaku pro každý ze čtyř hlavních režimů: A - Rossbyho vlny; B - Kelvinovy vlny; С - gravitační vlny; D - smíšený režim Rossby - gravitace

Rovníkové větry v Antarktidě

Další jev spojený s vlnami v atmosféře nedávno vysvětlili američtí vědci z Clemson University v Jižní Karolíně a University of Colorado v Boulderu.

Pozorováním polárních vírů na stanici McMurdo v Antarktidě – masivních kruhových proudů studeného vzduchu, které se spirálovitě stáčejí nad každým ze zemských pólů – si všimli, že antarktický vír je synchronní s fázemi kvazi dvouletých oscilací v atmosféře (QBO).

Přibližně každé dva roky mění šířkové větry vanoucí na zemském rovníku směr z východu na západ. Fronta začíná ve výšce více než 30 kilometrů ve stratosféře a pohybuje se směrem dolů rychlostí asi jeden kilometr za měsíc. Po 13-14 měsících nastává inverze větru současně podél celého rovníku. Kompletní cyklus tedy trvá 26 až 28 měsíců.

Obecné schéma kvazi-dvouletých oscilací

Američané zjistili, že během východní fáze QBO se antarktický vír během západní fáze rozšiřuje a smršťuje. To se vysvětluje průchodem poledníkových gravitačních vln od rovníku k pólům přes různé vrstvy atmosféry.

Tyto vlny byly zaznamenány a naznačovaly, že jsou spojeny se změnou směru větrů vanoucích na rovníku – ve vzdálenosti více než devět tisíc kilometrů od místa pozorování. Srovnání s daty z meteorologického a atmosférického pozorovacího systému NASA MERRA-2 za období 1999 až 2019 to plně potvrdilo.

Již dlouho je známo, že rozšíření polární zóny víru přináší chladné počasí do středních zeměpisných šířek. Skutečnost, že hlavní příčinou je změna směru stratosférických větrů v tropech, však překvapila.

Vědci doufají, že vzorce, které identifikovali, povedou k přesnějším modelům klimatu a atmosférické cirkulace pro předpovědi počasí. Zároveň se obávají, že v posledních desetiletích narůstá vliv antropogenních faktorů.

Před čtyřmi lety jsme tedy zaznamenali porušení cykličnosti FTC. V únoru 2016 byl přechod na východní větry náhle přerušen. Jedním z možných důvodů je globální oteplování.

Poplachový zvonek

Ještě větší obavy vyvolává rostoucí frekvence extrémních jevů počasí, často také spojených s anomáliemi atmosférických vln. Vědci poukazují zejména na výskyt kvazistacionárních atmosférických Rossbyho vln na severní polokouli.

Rossby Waves jsou obří zatáčky ve vysokohorských větrech, které mají hluboký vliv na počasí. Pokud přejdou do kvazistacionárního stavu, je změna cyklón a anticyklon pozastavena. V důsledku toho na některých místech celé týdny prší a přechází v záplavy, jinde je nastoleno abnormální vedro, jako letos v Arktidě.

Vlny veder a sucha, které během léta několikrát zasáhnou Střední a Severní Ameriku, střední a východní Evropu, oblast Kaspického moře a východní Asii a trvají jeden až dva týdny, způsobují vážné škody v zemědělství. Už pár let po sobě zde úrody klesají, což komplikuje sociální situaci.

Takže „hudba“Země stále častěji zní nikoli jako jemná melodie, ale jako poplašné zvonění.