Inhoudsopgave:

Atmosferische resonantie, wat is dit fenomeen en kan het het weer voorspellen?
Atmosferische resonantie, wat is dit fenomeen en kan het het weer voorspellen?

Video: Atmosferische resonantie, wat is dit fenomeen en kan het het weer voorspellen?

Video: Atmosferische resonantie, wat is dit fenomeen en kan het het weer voorspellen?
Video: Wilco en de leugendetector | Alles Kids | Afl. 3 2024, Maart
Anonim

De atmosfeer van de aarde trilt als een gigantische bel: golven reizen in beide richtingen langs de evenaar en omcirkelen de wereld. Deze conclusie werd getrokken door wetenschappers uit Japan en de Verenigde Staten, waarmee de al lang bestaande hypothese van atmosferische resonantie werd bevestigd. Wat is dit fenomeen en kan het worden gebruikt om het weer en de klimaatverandering op lange termijn te voorspellen?

Laplace golven

In het begin van de 19e eeuw vergeleek de Franse natuurkundige en wiskundige Pierre-Simon Laplace de atmosfeer van de aarde met een uitgestrekte oceaan die de planeet bedekt en afgeleide formules, tegenwoordig bekend als de getijdenvergelijkingen van Laplace, die worden gebruikt in berekeningen om weersvoorspellingen te maken.

Laplace geloofde dat de atmosfeer zijn eigen eb en vloed heeft, evenals golven van luchtmassa's en thermische energie. Hij noemde onder andere verticale oscillaties aan het aardoppervlak, die zich in horizontale richting voortplanten, die kunnen worden geregistreerd door veranderingen in oppervlaktedruk.

Atmosferische hittegetijden die verband houden met de rotatie van de aarde zijn al lang ontdekt door geofysici. Horizontale golven konden echter niet worden gedetecteerd. En nu is duidelijk waarom.

Zoals Takatoshi Sakazaki van de Graduate School of Science van de Universiteit van Kyoto en Kevin Hamilton, professor van het International Pacific Research Center aan de Universiteit van Hawaï in Manoa, ontdekten, hebben Laplace-golven zeer grote schalen - ze bestrijken bijna hele hemisferen - en zeer korte perioden, minder dan een dag.

Daarom werden ze over het hoofd gezien bij de studie van lokale atmosferische verschijnselen, zoals onweersbuien, en bij de studie van grote, maar langdurige bewegingen van luchtmassa's.

Image
Image

Diagram van horizontale golflengten en perioden van atmosferische verschijnselen die eerder door wetenschappers zijn bestudeerd. De ster is vloedgolven. Rode contour - Laplace-golfresonantiezone

"Schaakbord" van de aarde

De auteurs van de studie analyseerden gegevens van het European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) gedurende 38 jaar - van 1979 tot en met 2016, inclusief uurlijkse veranderingen in de atmosferische oppervlaktedruk over het gehele oppervlak van de planeet. Als resultaat werden tientallen voorheen onbekende golfmodi geïdentificeerd - systemen van harmonische oscillaties, die wetenschappers modi noemen.

De onderzoekers waren vooral geïnteresseerd in golven met korte perioden van twee tot 33 uur, die zich met een enorme snelheid van meer dan 1100 kilometer per uur horizontaal in de atmosfeer rond de aarde voortplanten.

De hoge- en lagedrukzones die bij deze golven horen, creëren een karakteristiek dambordpatroon op de kaart, dat echter verschilt voor elk van de vier hoofdmodi: Kelvin, Rossby, zwaartekrachtsgolven en een combinatie van de laatste twee.

Image
Image

Een dambordpatroon gecreëerd door de lage (blauwe) en hoge (rode) drukgebieden. Als voorbeeld worden twee van de vier hoofdmodi getoond - Kelvin en zwaartekracht met perioden van oscillatie van de aardatmosfeer van 32, 4 en 9, 4 uur. Resultaten computersimulatie

luchtbel

Het bleek dat de atmosfeer van de aarde als een rinkelende bel is, wanneer hoge boventonen worden gesuperponeerd op de belangrijkste laagfrequente achtergrond. Het is deze combinatie van diep achtergrondgeluid met subtiele overlopen die het rinkelen van een bel zo aangenaam maakt.

Alleen de "muziek" van de aarde is geen geluid, maar golven van atmosferische druk, die de hele wereld bestrijken. Elk van de vier hoofdmodi is een resonantie van de atmosfeer, naar analogie met de resonanties van een bel. In dit geval planten laagfrequente Kelvin-golven zich voort van oost naar west, en de rest - van west naar oost.

De wetenschappers berekenden de parameters van de resonantie die voortkwam uit de toevoeging van alle vier de modi, precies samengevallen met de voorspellingen van Laplace. En dit bevestigde zijn belangrijkste idee dat het weer wordt gecontroleerd door atmosferische drukgolven.

"Het is verheugend dat de visie van Laplace en andere pioniersfysici twee eeuwen later volledig is bevestigd", citeerde Takatoshi Sakazaki in een persbericht van de Universiteit van Hawaï in Manoa.

"Onze identificatie van zoveel modi in gegevens uit de echte wereld laat zien dat de atmosfeer echt als een klok rinkelt", vervolgt Hamilton.

De auteurs noemen het optreden van verborgen verwarmingszones als gevolg van atmosferische convectie en het cascademechanisme van voortplanting van turbulente energiestromen als mogelijke oorzaken van globale resonantie.

Image
Image

Verplaatsing van de gebieden met lage (blauwe) en hoge (rode) druk voor elk van de vier hoofdmodi: A - Rossby-golven; B - Kelvin-golven; С - zwaartekrachtgolven; D - gemengde modus Rossby - zwaartekracht

Equatoriale winden op Antarctica

Een ander fenomeen dat verband houdt met golven in de atmosfeer werd onlangs verklaard door Amerikaanse wetenschappers van de Clemson University in South Carolina en de University of Colorado in Boulder.

Bij het observeren van polaire vortexen in het McMurdo-station op Antarctica - enorme cirkelvormige stromen van koude lucht die over elk van de polen van de aarde draaien - merkten ze dat de Antarctische vortex synchroon loopt met de fasen van quasi-tweejaarlijkse oscillaties in de atmosfeer (QBO).

Ongeveer elke twee jaar veranderen de breedtewinden die waaien op de evenaar van de aarde van oost naar west. Het front begint op een hoogte van meer dan 30 kilometer in de stratosfeer en beweegt naar beneden met een snelheid van ongeveer een kilometer per maand. Na 13-14 maanden vindt windinversie gelijktijdig plaats langs de gehele evenaar. Een volledige cyclus duurt dus 26 tot 28 maanden.

Image
Image

Algemeen schema van quasi-tweejaarlijkse oscillaties

De Amerikanen ontdekten dat tijdens de oostelijke fase van de QBO de Antarctische vortex uitzet en samentrekt tijdens de westelijke fase. Dit wordt verklaard door de passage van meridionale zwaartekrachtsgolven van de evenaar naar de polen door verschillende lagen van de atmosfeer.

Deze golven werden geregistreerd en suggereerden dat ze geassocieerd zijn met een verandering in de richting van de wind die naar de evenaar waait - op een afstand van meer dan negenduizend kilometer van de observatieplaats. Vergelijking met gegevens van NASA's MERRA-2 meteorologisch en atmosferisch observatiesysteem voor de periode van 1999 tot 2019 bevestigde dit volledig.

Het is al lang bekend dat de uitbreiding van de polaire vortexzone koud weer naar de middelste breedtegraden brengt. Het feit dat de hoofdoorzaak een verandering in de richting van de stratosferische winden in de tropen is, kwam echter als een verrassing.

Wetenschappers hopen dat de patronen die ze hebben geïdentificeerd zullen leiden tot nauwkeurigere klimaat- en atmosferische circulatiemodellen voor weersvoorspellingen. Tegelijkertijd maken ze zich zorgen dat de impact van antropogene factoren de afgelopen decennia is toegenomen.

Dus vier jaar geleden merkten we een schending van de cycliciteit van de FTC. In februari 2016 werd de overgang naar oostenwind abrupt onderbroken. Een van de mogelijke redenen is de opwarming van de aarde.

Alarmbel

Nog zorgwekkender is de toenemende frequentie van extreme weersomstandigheden, vaak ook geassocieerd met anomalieën van atmosferische golven. In het bijzonder wijzen wetenschappers op het optreden van quasi-stationaire atmosferische Rossby-golven op het noordelijk halfrond.

Rossby-golven zijn gigantische bochten in wind op grote hoogte die een diepgaand effect hebben op het weer. Als ze in een quasi-stationaire toestand overgaan, wordt de verandering van cyclonen en anticyclonen opgeschort. Als gevolg hiervan regent het op sommige plaatsen wekenlang en verandert het in overstromingen, terwijl op andere plaatsen een abnormale hitte ontstaat, zoals dit jaar in het noordpoolgebied.

Hittegolven en droogtes die Midden- en Noord-Amerika, Centraal- en Oost-Europa, de Kaspische Zee en Oost-Azië meerdere keren in de zomer treffen en een tot twee weken aanhouden, veroorzaken ernstige schade aan de landbouw. Al een aantal jaren op rij dalen de oogsten hier, wat de sociale situatie bemoeilijkt.

Dus de "muziek" van de aarde klinkt steeds vaker niet als een zachte melodie, maar als een alarmerende alarmbel.

Aanbevolen: