Cộng hưởng từ khí quyển, đây là hiện tượng gì và nó có thể dự đoán thời tiết không?

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Bầu khí quyển của Trái đất rung lên như một cái chuông khổng lồ: sóng truyền dọc theo đường xích đạo theo cả hai hướng, bao quanh địa cầu. Kết luận này được đưa ra bởi các nhà khoa học Nhật Bản và Hoa Kỳ, khẳng định giả thuyết lâu đời về sự cộng hưởng của khí quyển. Hiện tượng này là gì và nó có thể được sử dụng để dự đoán thời tiết và biến đổi khí hậu lâu dài không?

Sóng Laplace

Vào đầu thế kỷ 19, nhà vật lý và toán học người Pháp Pierre-Simon Laplace đã so sánh bầu khí quyển của Trái đất với một đại dương rộng lớn bao phủ hành tinh và các công thức suy ra, ngày nay được gọi là phương trình thủy triều của Laplace, được sử dụng trong tính toán để đưa ra dự báo thời tiết.

Laplace tin rằng khí quyển có sự lên xuống và dòng chảy của riêng nó, cũng như các làn sóng của các khối khí và năng lượng nhiệt. Trong số những thứ khác, ông đề cập đến các dao động thẳng đứng trên bề mặt Trái đất, lan truyền theo phương ngang, có thể được ghi lại bằng những thay đổi của áp suất bề mặt.

Thủy triều nhiệt trong khí quyển liên quan đến chuyển động quay của Trái đất đã được các nhà địa vật lý phát hiện từ lâu. Tuy nhiên, không thể phát hiện được sóng ngang. Và bây giờ thì đã rõ tại sao.

Như Takatoshi Sakazaki của Trường Khoa học Sau đại học của Đại học Kyoto và Kevin Hamilton, giáo sư của Trung tâm Nghiên cứu Thái Bình Dương Quốc tế tại Đại học Hawaii ở Manoa, đã phát hiện ra, sóng Laplace có quy mô rất lớn - chúng bao phủ gần như toàn bộ bán cầu - và rất ngắn. kinh nguyệt, ít hơn một ngày.

Do đó, chúng bị bỏ qua trong việc nghiên cứu các hiện tượng khí quyển cục bộ, chẳng hạn như giông bão, và trong việc nghiên cứu các chuyển động lớn, nhưng dài hạn của các khối khí.

Biểu đồ các bước sóng ngang và các chu kỳ của các hiện tượng khí quyển đã được các nhà khoa học nghiên cứu trước đây. Ngôi sao là sóng thủy triều. Đường viền đỏ - Vùng cộng hưởng sóng Laplace

"Bàn cờ" của Trái đất

Các tác giả của nghiên cứu đã phân tích dữ liệu từ Trung tâm Dự báo Thời tiết Tầm trung Châu Âu (ECMWF) trong 38 năm - từ năm 1979 đến năm 2016, bao gồm cả những thay đổi hàng giờ về áp suất khí quyển bề mặt trên toàn bộ bề mặt hành tinh. Kết quả là, hàng chục chế độ sóng chưa từng được biết đến trước đây đã được xác định - các hệ thống dao động điều hòa, mà các nhà khoa học gọi là chế độ.

Các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến các sóng có chu kỳ ngắn từ 2 đến 33 giờ, lan truyền theo chiều ngang trong bầu khí quyển quanh địa cầu với tốc độ khủng khiếp - hơn 1100 km / h.

Các vùng áp suất cao và áp suất thấp kết hợp với các sóng này tạo ra mô hình bàn cờ đặc trưng trên bản đồ, tuy nhiên, chúng khác nhau đối với từng chế độ trong số bốn chế độ chính - Kelvin, Rossby, sóng hấp dẫn và sự kết hợp của hai chế độ sau.

Hình bàn cờ được tạo bởi vùng áp suất thấp (xanh lam) và cao (đỏ). Ví dụ, hai trong số bốn chế độ chính được hiển thị - Kelvin và lực hấp dẫn với chu kỳ dao động của bầu khí quyển Trái đất là 32, 4 và 9, 4 giờ. Kết quả mô phỏng máy tính

Chuông gió

Hóa ra bầu khí quyển của Trái đất giống như một tiếng chuông ngân vang, khi các âm bội cao được chồng lên trên nền tần số thấp chính. Chính sự kết hợp giữa âm nền sâu lắng với âm tràn tinh tế đã làm cho tiếng chuông trở nên thú vị.

Chỉ có "âm nhạc" của Trái đất không phải là âm thanh, mà là những làn sóng của áp suất khí quyển, bao trùm toàn bộ địa cầu. Mỗi chế độ trong số bốn chế độ chính là sự cộng hưởng của bầu không khí, tương tự với sự cộng hưởng của tiếng chuông. Trong trường hợp này, sóng Kelvin tần số thấp truyền từ đông sang tây và phần còn lại - từ tây sang đông.

Các nhà khoa học đã tính toán các tham số của sự cộng hưởng phát sinh từ việc bổ sung cả bốn chế độ, hoàn toàn trùng khớp với dự đoán của Laplace. Và điều này khẳng định ý tưởng chính của ông rằng thời tiết được điều khiển bởi các sóng áp suất khí quyển.

Takatoshi Sakazaki trích dẫn trong một thông cáo báo chí từ Đại học Hawaii tại Manoa: “Thật vui vì tầm nhìn của Laplace và các nhà vật lý tiên phong khác đã được xác nhận hoàn toàn sau hai thế kỷ.

Hamilton tiếp tục: “Việc chúng tôi xác định được rất nhiều chế độ trong dữ liệu thế giới thực cho thấy rằng bầu khí quyển thực sự reo như chuông.

Các tác giả đặt tên cho sự xuất hiện của các vùng nóng ẩn do đối lưu khí quyển và cơ chế phân tầng lan truyền của các dòng năng lượng hỗn loạn là những nguyên nhân có thể gây ra cộng hưởng toàn cầu.

Sự dịch chuyển của các vùng áp suất thấp (xanh lam) và cao (đỏ) đối với từng chế độ trong bốn chế độ chính: A - Sóng Rossby; B - Sóng Kelvin; С - sóng hấp dẫn; D - chế độ hỗn hợp Rossby - trọng lực

Gió xích đạo ở Nam Cực

Một hiện tượng khác liên quan đến sóng trong khí quyển gần đây đã được giải thích bởi các nhà khoa học Mỹ từ Đại học Clemson ở Nam Carolina và Đại học Colorado ở Boulder.

Quan sát các xoáy cực tại trạm McMurdo ở Nam Cực - các dòng khí lạnh hình tròn khổng lồ chạy xoắn ốc qua mỗi cực của Trái Đất - họ nhận thấy rằng xoáy Nam Cực đồng bộ với các giai đoạn của dao động bán niên hai năm một lần trong khí quyển (QBO).

Khoảng hai năm một lần, gió vĩ độ thổi ở đường xích đạo của Trái đất đổi hướng từ đông sang tây. Mặt trận bắt đầu ở độ cao hơn 30 km trong tầng bình lưu và di chuyển xuống dưới với tốc độ khoảng một km mỗi tháng. Sau 13-14 tháng, gió ngược xảy ra đồng thời dọc theo toàn bộ đường xích đạo. Do đó, một chu kỳ hoàn chỉnh mất từ 26 đến 28 tháng.

Sơ đồ tổng quát của dao động bán niên hai năm một lần

Người Mỹ nhận thấy rằng trong giai đoạn phía đông của QBO, xoáy Nam Cực mở rộng và co lại trong giai đoạn phía tây. Điều này được giải thích là do sự truyền của sóng hấp dẫn kinh tuyến từ xích đạo đến các cực qua các lớp khác nhau của khí quyển.

Những con sóng này đã được ghi lại và cho rằng chúng có liên quan đến sự thay đổi hướng của gió thổi ở đường xích đạo - ở khoảng cách hơn chín nghìn km tính từ địa điểm quan sát. So sánh với dữ liệu từ hệ thống quan sát khí tượng và khí quyển MERRA-2 của NASA trong giai đoạn từ 1999 đến 2019 đã hoàn toàn xác nhận điều này.

Từ lâu, người ta đã biết rằng sự mở rộng của đới xoáy cực mang thời tiết lạnh đến các vĩ độ trung bình. Tuy nhiên, thực tế là nguyên nhân sâu xa là sự thay đổi hướng của gió tầng bình lưu ở vùng nhiệt đới đã gây bất ngờ.

Các nhà khoa học hy vọng rằng các mô hình mà họ đã xác định được sẽ dẫn đến các mô hình khí hậu và hoàn lưu khí quyển chính xác hơn để dự báo thời tiết. Đồng thời, họ lo ngại rằng trong những thập kỷ gần đây, tác động của các yếu tố con người ngày càng gia tăng.

Vì vậy, bốn năm trước, chúng tôi đã nhận thấy sự vi phạm tính chu kỳ của FTC. Vào tháng 2 năm 2016, quá trình chuyển đổi sang gió mùa đông đột ngột bị gián đoạn. Một trong những lý do có thể là do trái đất nóng lên.

Chuông báo thức

Mối quan tâm lớn hơn nữa là tần suất ngày càng tăng của các hiện tượng thời tiết cực đoan, thường cũng liên quan đến sự bất thường của sóng khí quyển. Đặc biệt, các nhà khoa học chỉ ra sự xuất hiện của sóng Rossby trong khí quyển gần như đứng yên ở Bắc bán cầu.

Rossby Waves là những khúc cua khổng lồ trong gió lớn có ảnh hưởng sâu sắc đến thời tiết. Nếu chúng chuyển sang trạng thái gần như đứng yên, sự thay đổi của các lốc xoáy và các thuốc chống đông mạch sẽ bị đình chỉ. Kết quả là, ở một số nơi, mưa kéo dài hàng tuần, biến thành lũ lụt, trong khi ở những nơi khác, nhiệt độ bất thường được thiết lập, như năm nay ở Bắc Cực.

Các đợt nắng nóng và hạn hán tấn công Trung và Bắc Mỹ, Trung và Đông Âu, khu vực Biển Caspi và Đông Á nhiều lần trong mùa hè và kéo dài từ một đến hai tuần, gây thiệt hại nghiêm trọng cho nông nghiệp. Trong vài năm liên tiếp, thu hoạch ở đây giảm sút, điều này làm cho tình hình xã hội trở nên phức tạp.

Vì vậy, "âm nhạc" của Trái đất ngày càng vang lên thường xuyên không giống như một giai điệu nhẹ nhàng, mà là một hồi chuông cảnh báo đáng báo động.