Ressonància atmosfèrica, què és aquest fenomen i pot predir el temps?

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

L'atmosfera de la Terra vibra com una campana gegant: les ones viatgen al llarg de l'equador en ambdues direccions, encerclant el globus. A aquesta conclusió van arribar científics del Japó i els Estats Units, confirmant la hipòtesi de llarga data de la ressonància atmosfèrica. Què és aquest fenomen i es pot utilitzar per predir el temps i el canvi climàtic a llarg termini?

ones de Laplace

A principis del segle XIX, el físic i matemàtic francès Pierre-Simon Laplace va comparar l'atmosfera terrestre amb un vast oceà que cobria el planeta i va derivar fórmules, conegudes avui com a equacions de marea de Laplace, utilitzades en càlculs per fer previsions meteorològiques.

Laplace creia que l'atmosfera té el seu propi flux i reflux, així com onades de masses d'aire i energia tèrmica. Entre altres coses, va esmentar les oscil·lacions verticals a la superfície de la Terra, que es propaguen en direcció horitzontal, que es poden registrar per canvis en la pressió superficial.

Les marees de calor atmosfèriques associades a la rotació de la Terra han estat descobertes durant molt de temps pels geofísics. Tanmateix, les ones horitzontals no s'han pogut detectar. I ara està clar per què.

Tal com van descobrir Takatoshi Sakazaki, de l'Escola de Postgrau en Ciències de la Universitat de Kyoto i Kevin Hamilton, professor del Centre Internacional de Recerca del Pacífic de la Universitat de Hawaii a Manoa, les ones de Laplace tenen escales molt grans, cobreixen gairebé hemisferis sencers, i molt curtes. períodes, menys d'un dia.

Per tant, es van passar per alt en l'estudi dels fenòmens atmosfèrics locals, com ara les tempestes, i en l'estudi de moviments grans, però a llarg termini, de masses d'aire.

Diagrama de longituds d'ona horitzontals i períodes dels fenòmens atmosfèrics que havien estat estudiats prèviament pels científics. L'estrella són les onades. Contorn vermell - Zona de ressonància d'ona de Laplace

"Tauler d'escacs" de la Terra

Els autors de l'estudi van analitzar les dades del Centre Europeu de Previsions Meteorològiques a Pla Mitjà (ECMWF) durant 38 anys, des del 1979 fins al 2016, inclosos els canvis horàries de la pressió atmosfèrica superficial a tota la superfície del planeta. Com a resultat, es van identificar desenes de modes d'ona desconeguts anteriorment: sistemes d'oscil·lacions harmòniques, que els científics anomenen modes.

Els investigadors estaven especialment interessats en les ones amb períodes curts de dues a 33 hores, que es propagaven horitzontalment a l'atmosfera arreu del món a una velocitat tremenda: més de 1100 quilòmetres per hora.

Les zones d'alta i baixa pressió associades a aquestes ones creen un patró d'escacs característic al mapa, que, però, difereix per a cadascun dels quatre modes principals: Kelvin, Rossby, ones gravitatòries i una combinació dels dos últims.

Un patró d'escacs creat per les regions de pressió baixa (blava) i alta (vermella). Com a exemple, es mostren dos dels quatre modes principals: Kelvin i gravitació amb períodes d'oscil·lació de l'atmosfera terrestre de 32, 4 i 9, 4 hores. Resultats de simulació per ordinador

Campana d'aire

Va resultar que l'atmosfera de la Terra és com una campana que sona, quan els tons alts se superposen al fons principal de baixa freqüència. És aquesta combinació de so de fons profund amb desbordaments subtils el que fa que el timbre sigui tan agradable.

Només la "música" de la Terra no és so, sinó ones de pressió atmosfèrica, que cobreixen tot el globus. Cadascun dels quatre modes principals és una ressonància de l'atmosfera, per analogia amb les ressonàncies d'una campana. En aquest cas, les ones Kelvin de baixa freqüència es propaguen d'est a oest, i la resta, d'oest a est.

Els científics van calcular els paràmetres de la ressonància derivats de la suma dels quatre modes, coincidint exactament amb les prediccions de Laplace. I això va confirmar la seva idea principal que el temps està controlat per ones de pressió atmosfèrica.

"És gratificant que la visió de Laplace i altres físics pioners s'hagi confirmat completament dos segles després", va citar Takatoshi Sakazaki en un comunicat de premsa de la Universitat de Hawaii a Manoa.

"La nostra identificació de tantes maneres en dades del món real mostra que l'atmosfera realment sona com una campana", continua Hamilton.

Els autors anomenen l'aparició de zones d'escalfament amagades a causa de la convecció atmosfèrica i el mecanisme en cascada de propagació dels fluxos d'energia turbulents com a possibles causes de ressonància global.

Desplaçament de les regions de pressió baixa (blava) i alta (vermell) per a cadascun dels quatre modes principals: A - ones de Rossby; B - ones Kelvin; С - ones gravitatòries; D - mode mixt Rossby - gravetat

Vents equatorials a l'Antàrtida

Un altre fenomen associat a les ones a l'atmosfera va ser explicat recentment per científics nord-americans de la Universitat de Clemson a Carolina del Sud i la Universitat de Colorado a Boulder.

Observant vòrtexs polars a l'estació de McMurdo a l'Antàrtida -corrents circulars massius d'aire fred que espiral sobre cadascun dels pols de la Terra- es van adonar que el vòrtex antàrtic és sincrònic amb les fases d'oscil·lacions quasi biennals de l'atmosfera (QBO).

Aproximadament cada dos anys, els vents latitudinals que bufen a l'equador de la Terra canvien de direcció d'est a oest. El front comença a una altitud de més de 30 quilòmetres a l'estratosfera i es desplaça cap avall a una velocitat d'aproximadament un quilòmetre per mes. Després de 13-14 mesos, la inversió del vent es produeix simultàniament al llarg de tot l'equador. Per tant, un cicle complet dura de 26 a 28 mesos.

Esquema general d'oscil·lacions quasi biennals

Els nord-americans van trobar que durant la fase oriental del QBO, el vòrtex antàrtic s'expandeix i es contrau durant la fase occidental. Això s'explica pel pas de les ones gravitacionals meridionals des de l'equador als pols a través de diferents capes de l'atmosfera.

Aquestes onades es van registrar i van suggerir que s'associen a un canvi en la direcció dels vents que bufen a l'equador, a una distància de més de nou mil quilòmetres del lloc d'observació. La comparació amb les dades del sistema d'observació meteorològica i atmosfèrica MERRA-2 de la NASA per al període de 1999 a 2019 ho va confirmar completament.

Fa temps que se sap que l'expansió de la zona del vòrtex polar porta el clima fred a les latituds mitjanes. Tanmateix, el fet que la causa principal sigui un canvi en la direcció dels vents estratosfèrics als tròpics va ser una sorpresa.

Els científics esperen que els patrons que han identificat condueixin a models climàtics i de circulació atmosfèrica més precisos per a la predicció del temps. Al mateix temps, els preocupa que en les últimes dècades l'impacte dels factors antropogènics hagi anat augmentant.

Així, fa quatre anys, vam notar una violació de la ciclicitat de la FTC. El febrer de 2016, la transició als vents de llevant es va interrompre bruscament. Un dels possibles motius és l'escalfament global.

Campana d'alarma

Encara més preocupant és l'augment de la freqüència d'esdeveniments meteorològics extrems, sovint també associats a anomalies de les ones atmosfèriques. En particular, els científics assenyalen l'ocurrència d'ones de Rossby atmosfèriques quasi estacionàries a l'hemisferi nord.

Les ones de Rossby són revolts gegants amb vents d'altitud que tenen un efecte profund sobre el clima. Si passen a un estat quasi estacionari, el canvi de ciclons i anticiclons queda suspès. Com a conseqüència, en alguns llocs plou durant setmanes, convertint-se en inundacions, mentre que en d'altres s'estableix una calor anormal, com aquest any a l'Àrtic.

Les onades de calor i les sequeres que afecten l'Amèrica Central i del Nord, l'Europa central i oriental, la regió del mar Càspi i l'Àsia oriental diverses vegades durant l'estiu i que duren entre una o dues setmanes, causen greus danys a l'agricultura. Des de fa uns quants anys seguits, aquí les collites han anat baixant, cosa que complica la situació social.

Així que la "música" de la Terra cada cop més sovint sona no com una melodia suau, sinó com una alarma alarmant.