Атмосферный резонанс, что это за феномен и может ли он предсказать погоду?

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?

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.



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.



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.



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.