МОСКВА, 31 авг — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Атмосфера Земли вибрирует, подобно гигантскому колоколу: волны распространяются вдоль экватора в обоих направлениях, опоясывая земной шар. К такому выводу пришли ученые из Японии и США, подтвердив давнюю гипотезу об атмосферном резонансе. Что это за феномен и можно ли на его основе предсказывать погоду и долгосрочные изменения климата — в материале РИА Новости.
Волны Лапласа
В начале XIX века французский физик и математик Пьер-Симон Лаплас сравнил атмосферу Земли с огромным океаном, покрывающим планету, и вывел формулы, известные сегодня как приливные уравнения Лапласа и используемые в расчетах при составлении прогнозов погоды.
Лаплас полагал, что в атмосфере есть свои приливы и отливы, а также волны воздушных масс и тепловой энергии. Среди прочего он упоминал вертикальные колебания у поверхности Земли, распространяющиеся в горизонтальном направлении, которые можно зафиксировать по изменениям приземного давления.
Атмосферные тепловые приливы, связанные с вращением Земли, геофизики давно обнаружили. Однако горизонтальные волны не удавалось зафиксировать. И теперь понятно, почему.
Как выяснили Такатоши Саказаки из Высшей школы науки Киотского университета и Кевин Гамильтон, профессор Международного тихоокеанского исследовательского центра Гавайского университета в Маноа, у волн Лапласа очень большие масштабы — они охватывают чуть ли не целые полушария — и очень короткие периоды, меньше суток. Поэтому их упускали из виду и при исследовании локальных атмосферных явлений, таких как грозы, и при изучении крупных, но длительных перемещений воздушных масс.
Диаграмма горизонтальных длин волн и периодов атмосферных явлений, которые изучались ранее учеными. Звезда — приливные волны. Красный контур — зона резонанса волн Лапласа
"Шахматная доска" Земли
Авторы исследования проанализировали данные Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) за 38 лет — с 1979 по 2016 год включительно, в том числе почасовые изменения приземного атмосферного давления по всей поверхности планеты. В результате выявили десятки ранее неизвестных волновых режимов — систем гармонических колебаний, которые ученые называют модами.
Особенно исследователей заинтересовали волны с короткими периодами от двух до 33 часов, распространяющиеся горизонтально в атмосфере вокруг земного шара с огромной скоростью — более 1100 километров в час.
Зоны высокого и низкого давления, связанные с этими волнами, создают на карте характерный узор "шахматной доски", который, однако, различается для каждой из четырех основных мод — волн Кельвина, Россби, гравитационных и комбинации двух последних.
© Sakazaki, Hamilton, 2020
Рисунок "шахматной доски", созданный областями низкого (синий) и высокого (красный) давления. Для примера показаны две из четырех основных мод — кельвиновская и гравитационная с периодами колебания земной атмосферы 32,4 и 9,4 часа. Результаты компьютерного моделирования
Воздушный колокол
Оказалось, что атмосфера Земли похожа на звенящий колокол, когда на основной низкочастотный фон накладываются высокие обертоны. Именно это сочетание глубокого фонового звука с тонкими переливами делает колокольный звон таким приятным.
Только "музыка" Земли — это не звук, а волны атмосферного давления, охватывающие весь земной шар. Каждая из четырех основных мод — это резонанс атмосферы по аналогии с резонансами колокола. При этом низкочастотные волны Кельвина распространяются с востока на запад, а остальные — с запада на восток.
Рассчитанные учеными параметры резонанса, возникающего при сложении всех четырех мод, точно совпали с предсказаниями Лапласа. И это подтвердило его основную мысль о том, что погодой управляют волны атмосферного давления.
"Приятно, что видение Лапласа и других физиков-пионеров полностью подтверждено два столетия спустя", — приводятся в пресс-релизе Гавайского университета в Маноа слова Такатоши Саказаки.
"Наша идентификация стольких мод в реальных данных показывает: атмосфера действительно звенит, как колокол, — продолжает Гамильтон. — Это наконец разрешает давнюю и классическую проблему атмосферного резонанса, а также позволяет лучше понять, какие процессы возбуждают волны, а какие их гасят".
В качестве возможных причин глобального резонанса авторы называют возникновение из-за атмосферной конвекции скрытых зон нагрева и каскадный механизм распространения турбулентных потоков энергии.
© Sakazaki, Hamilton, 2020
Смещение областей низкого (синий) и высокого (красный) давления для каждой из четырех основных мод: А — волны Россби; В — волны Кельвина; С — гравитационные волны; D — смешанная мода Россби — гравитация
Экваториальные ветры в Антарктиде
Еще одно явление, связанное с волнами в атмосфере, недавно объяснили американские ученые из Университета Клемсона в Южной Каролине и Колорадского университета в Боулдере.
Наблюдая на станции Мак-Мердо в Антарктиде за полярными вихрями — массивными круговыми потоками холодного воздуха, которые вращаются по спирали над каждым из полюсов Земли, — они заметили: антарктический вихрь синхронен с фазами квазидвухлетних колебаний в атмосфере (КДК).
Примерно раз в два года широтные ветра, которые дуют на экваторе Земли, меняют направление с восточного на западное. Фронт зарождается на высоте больше 30 километров в стратосфере и движется вниз со скоростью примерно один километр в месяц. Через 13-14 месяцев одновременно по всему экватору происходит инверсия ветров. Полный цикл, таким образом, занимает от 26 до 28 месяцев.
© Иллюстрация РИА Новости . JAMSTEC / University of Hawaii
Общая схема квазидвухлетних колебаний
Американцы установили, что во время восточной фазы КДЦ антарктический вихрь расширяется, а при западной сжимается. Это объясняют прохождением через разные слои атмосферы меридиональных гравитационных волн от экватора к полюсам.
Эти волны зафиксировали и предположили, что они связаны со сменой направления ветров, дующих на экваторе — на расстоянии более девяти тысяч километров от места наблюдений. Сравнение с данными системы метеорологических и атмосферных наблюдений НАСА MERRA-2 за период с 1999 по 2019 год полностью это подтвердило.
Давно известно: расширение зоны полярного вихря приносит холодную погоду в средние широты. Однако то, что первопричина — в смене направления стратосферных ветров в тропиках, стало неожиданностью.
Ученые надеются, что выявленные ими закономерности позволят создать более точные климатические модели и модели атмосферной циркуляции для прогнозирования погоды. В то же время они обеспокоены тем, что в последние десятилетия все чаще сказывается воздействие антропогенных факторов.
Так, четыре года назад заметили нарушение цикличности КДК. В феврале 2016-го переход к восточным ветрам неожиданно прервался. Одна из возможных причин — глобальное потепление.
Тревожный набат
Еще большее беспокойство вызывают участившиеся экстремальные погодные явления, зачастую также связанные с волновыми аномалиями в атмосфере. В частности, ученые указывают на возникновение квазистационарных атмосферных волн Россби в Северном полушарии.
Волны Россби — это гигантские изгибы высотных ветров, оказывающие серьезное влияние на погоду. Если они переходят в квазистационарное состояние, смена циклонов и антициклонов приостанавливается. В итоге в одних местах неделями льют дожди, оборачивающиеся наводнениями, а в других устанавливается аномальная жара, как в этом году в Арктике.
Волны жары и засухи, приходящие в Центральную и Северную Америку, Центральную и Восточную Европу, регион Каспийского моря и Восточную Азию по несколько раз за лето и длящиеся одну-две недели, наносят серьезный ущерб сельскому хозяйству. Уже который год подряд здесь сокращаются урожаи, что осложняет социальную обстановку.
Так что "музыка" Земли все чаще звучит не как нежная мелодия, а тревожным набатом.