Шахматная доска климата Земли

Вся атмосфера Земли вибрирует, как гигантский колокол, с различными крупномасштабными резонансными волнами, движущимися в обоих направлениях вокруг земного шара. К такому выводу пришли ученые Японии и США, подтвердившие почти двухвековую гипотезу об атмосферном резонансе. Их исследования должны помочь улучшить как прогнозы погоды, так и долгосрочные климатические прогнозы. Основы атмосферного резонанса были впервые изложены в начале 1800-х годов французским ученым и математиком Пьером-Симоном Лапласом. «Лаплас показал, что среди всех сложностей атмосферной динамики должен быть набор волновых движений с содержанием энергии, захваченной в вертикальном направлении – то есть захваченной против поверхности земли –и распространяющейся чисто по горизонтали», — объясняет атмосферный ученый Кевин Гамильтон из Гавайского университета в Маноа. Он добавляет, что Лаплас предсказал, «что горизонтальные свойства этих волн должны быть такими же, как для равномерно глубокого океана, покрывающего всю землю с некоторой „эквивалентной глубиной“.— Природа этой горизонтальной структуры определяется уравнением прилива Лапласа. Исследователи смогли легко идентифицировать вынужденные волны, связанные с вращением Земли-атмосферные тепловые приливы – также предсказанные в результате первоначальной работы Лапласа. Однако, несмотря на значительную последующую работу, их присутствие на волнах Лапласа осталось незамеченным. Разрыв в наблюдениях Это связано с тем, что волны имеют как очень большие горизонтальные масштабы, так и короткие периоды в день или меньше, что ставит их в наблюдательный разрыв между исследованиями мелкомасштабных явлений, действующих в небольших временных масштабах (например, отдельных гроз), и более крупномасштабных объектов с периодами в день или больше. Однако в своем новом исследовании Гамильтон и его коллега Такатоси Сакадзаки-физик из японского Университета Киото-использовали данные повторного анализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды для изучения атмосферного давления по всему миру на почасовой основе с 1979-2016 годов. Изучение группой значений поверхностного давления из нового набора данных выявило десятки предсказанных нормальных волновых режимов, обычно с периодами от двух до тридцати трех часов, которые перемещаются горизонтально вокруг земного шара со скоростью свыше 1100 км/ч. Команда обнаружила, что распространение этих волн приводит к шахматной схеме высокого и низкого давления, которая окружает земной шар. «Для этих быстро движущихся волновых мод наши наблюдаемые частоты и глобальные паттерны очень хорошо совпадают с теоретически предсказанными», — сказал Сакадзаки. «Очень интересно видеть, что видение Лапласа и других физиков-первопроходцев полностью подтвердилось спустя два столетия.» Новое направление исследований «Наша идентификация стольких мод в реальных данных показывает, что атмосфера действительно звенит, как колокол», — согласился Гамильтон. «Это, наконец, решает давнюю и классическую проблему в атмосферной науке, но это также открывает новый путь исследований, чтобы понять как процессы, которые возбуждают волны, так и те, которые действуют, чтобы заглушить волны.» Согласно Гамильтону, возможные движущие силы резонансных волн могут включать в себя глобальный эффект далекого мелкомасштабного скрытого нагрева в атмосфере от конвекции или возбуждения через часть турбулентных каскадов энергии через атмосферу. — В качестве аналогии представь себе ванну, полную воды. Возьмите весло и энергично помешивайте в течение нескольких секунд. Подождите минуту и посмотрите, как развивается поток», — объясняет он. «Вы увидите небольшие движения в результате турбулентных взаимодействий, но вы также заметите более организованное хлюпанье в масштабе всей ванны на собственных резонансных частотах.» Модели глобального климата Завершив свое первоначальное исследование, исследователи теперь стремятся провести сравнение между своими выводами и результатами глобальных климатических моделей. Полученные результаты являются “ прекрасным примером фундаментальной теории, подтвержденной наблюдениями – что-то  не очень распространенное в такой сложной системе, как атмосфера Земли», — комментирует Тед Шепард, климатолог из Университета Рединга в Великобритании. «В последнее время появились разработки, призывающие к возобновлению внимания к этим режимам в качестве диагностики поведения атмосферы», — добавил он. «Это новое исследование показывает, как наблюдения за поверхностным давлением могут открыть эту возможность.» «Нормальные режимы, обнаруженные сейчас, могут оказаться полезными для проверки моделей циркуляции Земли», — согласился Стивен Льюис, атмосферный физик из Открытого университета Великобритании. Кроме того, добавил он, волновые моды «даже имеют связи с модами, которые могли бы играть определенную роль в более тонкой атмосфере Марса.» Результаты исследования описаны в журнале Journal of Atmospheric Sciences .источник