เสียงสะท้อนของบรรยากาศ ปรากฏการณ์นี้คืออะไรและสามารถทำนายสภาพอากาศได้หรือไม่?

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

ชั้นบรรยากาศของโลกสั่นสะเทือนราวกับระฆังขนาดยักษ์ คลื่นเคลื่อนที่ไปตามเส้นศูนย์สูตรในทั้งสองทิศทางที่ล้อมรอบโลก นักวิทยาศาสตร์จากประเทศญี่ปุ่นและสหรัฐอเมริกาได้ข้อสรุปนี้ ซึ่งยืนยันสมมติฐานที่มีมายาวนานของการสะท้อนของบรรยากาศ ปรากฏการณ์นี้คืออะไรและสามารถใช้ทำนายสภาพอากาศและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในระยะยาวได้หรือไม่?

ลาปลาซ เวฟ

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศสชื่อ Pierre-Simon Laplace ได้เปรียบเทียบชั้นบรรยากาศของโลกกับมหาสมุทรอันกว้างใหญ่ที่ปกคลุมดาวเคราะห์และสูตรที่ได้รับ ซึ่งรู้จักกันในปัจจุบันว่าสมการคลื่นของลาปลาซ ซึ่งใช้ในการคำนวณเพื่อพยากรณ์อากาศ

Laplace เชื่อว่าบรรยากาศมีการขึ้นและลงของมันเอง เช่นเดียวกับคลื่นของมวลอากาศและพลังงานความร้อน เหนือสิ่งอื่นใด เขากล่าวถึงการแกว่งในแนวดิ่งที่พื้นผิวโลก ซึ่งแพร่กระจายไปในแนวนอน ซึ่งสามารถบันทึกได้โดยการเปลี่ยนแปลงของความดันพื้นผิว

นักธรณีฟิสิกส์ค้นพบกระแสความร้อนในบรรยากาศที่เกี่ยวข้องกับการหมุนของโลก อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถตรวจจับคลื่นแนวนอนได้ และตอนนี้ก็ชัดเจนว่าทำไม

ดังที่ Takatoshi Sakazaki แห่ง Graduate School of Science of Kyoto University และ Kevin Hamilton ศาสตราจารย์ของ International Pacific Research Center แห่งมหาวิทยาลัยฮาวายที่ Manoa พบว่า คลื่น Laplace มีขนาดใหญ่มาก - ครอบคลุมเกือบทั้งซีกโลก - และสั้นมาก ระยะเวลาน้อยกว่าหนึ่งวัน

ดังนั้นพวกเขาจึงถูกมองข้ามในการศึกษาปรากฏการณ์บรรยากาศในท้องถิ่นเช่นพายุฝนฟ้าคะนองและในการศึกษาการเคลื่อนที่ของมวลอากาศขนาดใหญ่ แต่ในระยะยาว

แผนภาพความยาวคลื่นในแนวนอนและช่วงเวลาของปรากฏการณ์ในชั้นบรรยากาศที่นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาก่อนหน้านี้ ดาวฤกษ์เป็นคลื่นยักษ์ เส้นสีแดง - โซนเรโซแนนซ์คลื่น Laplace

"กระดานหมากรุก" ของโลก

ผู้เขียนผลการศึกษาวิเคราะห์ข้อมูลจาก European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) เป็นเวลา 38 ปี - ตั้งแต่ปี 1979 ถึง 2016 รวมถึงการเปลี่ยนแปลงทุกชั่วโมงในความกดอากาศบนพื้นผิวทั่วทั้งพื้นผิวโลก เป็นผลให้มีการระบุโหมดคลื่นที่ไม่รู้จักหลายสิบโหมดก่อนหน้านี้ - ระบบของการสั่นฮาร์มอนิกซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกว่าโหมด

นักวิจัยมีความสนใจเป็นพิเศษในคลื่นที่มีคาบสั้นตั้งแต่สองถึง 33 ชั่วโมง ซึ่งแพร่กระจายในแนวนอนในชั้นบรรยากาศทั่วโลกด้วยความเร็วมหาศาล - มากกว่า 1100 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

โซนความกดอากาศสูงและต่ำที่เกี่ยวข้องกับคลื่นเหล่านี้สร้างรูปแบบกระดานหมากรุกที่มีลักษณะเฉพาะบนแผนที่ ซึ่งแตกต่างกันไปในแต่ละโหมดหลักสี่โหมด - เคลวิน รอสบี คลื่นโน้มถ่วง และการรวมกันของสองโหมดหลัง

รูปแบบกระดานหมากรุกที่สร้างขึ้นโดยบริเวณความกดอากาศต่ำ (สีน้ำเงิน) และสูง (สีแดง) ตัวอย่างเช่น มีการแสดงโหมดหลักสองในสี่โหมด - เคลวินและความโน้มถ่วงโดยมีระยะเวลาการสั่นของชั้นบรรยากาศของโลกที่ 32, 4 และ 9, 4 ชั่วโมง ผลการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์

แอร์เบลล์

ปรากฎว่าชั้นบรรยากาศของโลกเหมือนเสียงกริ่ง เมื่อเสียงหวือหวาสูงถูกซ้อนทับบนพื้นหลังความถี่ต่ำหลัก เป็นการผสมผสานระหว่างเสียงพื้นหลังที่ลึกและเสียงล้นที่ทำให้เสียงกริ่งดังขึ้นอย่างสนุกสนาน

มีเพียง "ดนตรี" ของโลกเท่านั้นที่ไม่มีเสียง แต่เป็นคลื่นของความดันบรรยากาศที่ปกคลุมไปทั่วโลก โหมดหลักสี่โหมดแต่ละโหมดเป็นการสะท้อนของบรรยากาศ โดยการเปรียบเทียบกับเสียงสะท้อนของกระดิ่ง ในกรณีนี้ คลื่นความถี่ต่ำเคลวินจะแพร่กระจายจากตะวันออกไปตะวันตก และส่วนที่เหลือจากตะวันตกไปตะวันออก

นักวิทยาศาสตร์ได้คำนวณค่าพารามิเตอร์ของการสั่นพ้องที่เกิดจากการเพิ่มโหมดทั้งสี่ซึ่งใกล้เคียงกับการคาดการณ์ของ Laplace และสิ่งนี้ยืนยันแนวคิดหลักของเขาที่ว่าสภาพอากาศถูกควบคุมโดยคลื่นความกดอากาศ

“เป็นเรื่องน่ายินดีที่วิสัยทัศน์ของ Laplace และนักฟิสิกส์ผู้บุกเบิกคนอื่นๆ ได้รับการยืนยันอย่างเต็มที่ในอีกสองศตวรรษต่อมา” Takatoshi Sakazaki กล่าวในการแถลงข่าวจากมหาวิทยาลัยฮาวายที่ Manoa

"การระบุโหมดต่างๆ ของเราในข้อมูลในโลกแห่งความเป็นจริงแสดงให้เห็นว่าบรรยากาศดังก้องกังวานจริงๆ" แฮมิลตันกล่าวต่อ

ผู้เขียนตั้งชื่อการเกิดขึ้นของโซนความร้อนที่ซ่อนอยู่เนื่องจากการพาความร้อนในบรรยากาศและกลไกการเรียงซ้อนของการแพร่กระจายของกระแสพลังงานที่ปั่นป่วนเป็นสาเหตุที่เป็นไปได้ของการสั่นพ้องทั่วโลก

การกระจัดของบริเวณที่มีแรงดันต่ำ (สีน้ำเงิน) และสูง (สีแดง) สำหรับแต่ละโหมดหลักสี่โหมด: A - คลื่น Rossby; B - คลื่นเคลวิน; С - คลื่นความโน้มถ่วง; D - โหมดผสม Rossby - แรงโน้มถ่วง

ลมเส้นศูนย์สูตรในทวีปแอนตาร์กติกา

นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันจากมหาวิทยาลัยเคลมสันในเซาท์แคโรไลนาและมหาวิทยาลัยโคโลราโดในโบลเดอร์ได้อธิบายปรากฏการณ์อื่นที่เกี่ยวข้องกับคลื่นในบรรยากาศ

การสังเกตกระแสน้ำวนขั้วโลกที่สถานี McMurdo ในทวีปแอนตาร์กติกา - กระแสลมเย็นเป็นวงกลมขนาดใหญ่ที่หมุนวนเหนือแต่ละขั้วของโลก - พวกเขาสังเกตเห็นว่ากระแสน้ำวนของทวีปแอนตาร์กติกนั้นสัมพันธ์กับเฟสของการสั่นกึ่งล้มลุกในชั้นบรรยากาศ (QBO)

ทุกๆ สองปี ลมละติจูดที่พัดตรงเส้นศูนย์สูตรของโลกจะเปลี่ยนทิศทางจากตะวันออกไปตะวันตก ส่วนหน้าเริ่มต้นที่ระดับความสูงมากกว่า 30 กิโลเมตรในชั้นสตราโตสเฟียร์และเคลื่อนลงด้านล่างด้วยความเร็วประมาณหนึ่งกิโลเมตรต่อเดือน หลังจาก 13-14 เดือน การผกผันของลมจะเกิดขึ้นพร้อมกันทั่วทั้งเส้นศูนย์สูตร รอบที่สมบูรณ์จึงใช้เวลา 26 ถึง 28 เดือน

รูปแบบทั่วไปของการแกว่งกึ่งล้มลุก

ชาวอเมริกันพบว่าในช่วงตะวันออกของ QBO กระแสน้ำวนแอนตาร์กติกขยายตัวและหดตัวในช่วงตะวันตก สิ่งนี้อธิบายได้จากการเคลื่อนผ่านของคลื่นความโน้มถ่วงเมริเดียนจากเส้นศูนย์สูตรไปยังขั้วต่างๆ ผ่านชั้นบรรยากาศต่างๆ

คลื่นเหล่านี้ได้รับการบันทึกและแนะนำว่ามีความเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทิศทางของลมที่พัดผ่านเส้นศูนย์สูตร - ที่ระยะทางกว่าเก้าพันกิโลเมตรจากจุดสังเกต เมื่อเปรียบเทียบกับข้อมูลจากระบบสังเกตการณ์อุตุนิยมวิทยาและบรรยากาศ MERRA-2 ของ NASA ในช่วงปี 2542 ถึง 2562 ได้ยืนยันสิ่งนี้อย่างสมบูรณ์

เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าการขยายตัวของเขตโพลาร์วอร์เท็กซ์ทำให้เกิดสภาพอากาศหนาวเย็นถึงละติจูดกลาง อย่างไรก็ตาม ข้อเท็จจริงที่ว่าสาเหตุที่แท้จริงคือการเปลี่ยนแปลงทิศทางของลมสตราโตสเฟียร์ในเขตร้อนทำให้เกิดความประหลาดใจ

นักวิทยาศาสตร์หวังว่ารูปแบบที่พวกเขาระบุจะนำไปสู่แบบจำลองสภาพอากาศและการไหลเวียนของบรรยากาศที่แม่นยำยิ่งขึ้นสำหรับการพยากรณ์อากาศ ในเวลาเดียวกัน พวกเขามีความกังวลว่าในทศวรรษที่ผ่านมา ผลกระทบของปัจจัยด้านมานุษยวิทยาได้เพิ่มขึ้น

เมื่อสี่ปีที่แล้ว เราสังเกตเห็นการละเมิดวัฏจักรของ FTC ในเดือนกุมภาพันธ์ 2559 การเปลี่ยนผ่านสู่ลมตะวันออกหยุดชะงักลงอย่างกะทันหัน สาเหตุหนึ่งที่เป็นไปได้คือภาวะโลกร้อน

ระฆังปลุก

สิ่งที่น่ากังวลยิ่งกว่านั้นคือความถี่ที่เพิ่มขึ้นของเหตุการณ์สภาพอากาศสุดขั้ว ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับความผิดปกติของคลื่นบรรยากาศด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักวิทยาศาสตร์ชี้ให้เห็นถึงการเกิดคลื่น Rossby ในบรรยากาศกึ่งนิ่งในซีกโลกเหนือ

Rossby Waves เป็นคลื่นโค้งขนาดยักษ์ในลมที่สูงซึ่งมีผลกระทบต่อสภาพอากาศอย่างลึกซึ้ง หากผ่านเข้าสู่สภาวะกึ่งนิ่ง การเปลี่ยนแปลงของไซโคลนและแอนติไซโคลนจะถูกระงับ เป็นผลให้ในบางสถานที่ ฝนตกเป็นเวลาหลายสัปดาห์ กลายเป็นน้ำท่วม ในขณะที่บางแห่ง มีการตั้งค่าความร้อนผิดปกติเช่นในปีนี้ในแถบอาร์กติก

คลื่นความร้อนและความแห้งแล้งกระทบอเมริกากลางและอเมริกาเหนือ ยุโรปกลางและตะวันออก ภูมิภาคทะเลแคสเปียน และเอเชียตะวันออกหลายครั้งในช่วงฤดูร้อน และยาวนานหนึ่งถึงสองสัปดาห์ ก่อให้เกิดความเสียหายร้ายแรงต่อการเกษตร หลายปีที่ผ่านมาการเก็บเกี่ยวได้ลดลงที่นี่ ซึ่งทำให้สถานการณ์ทางสังคมยุ่งยากขึ้น

ดังนั้น "ดนตรี" ของโลกจึงฟังดูไม่เหมือนท่วงทำนองที่อ่อนโยน แต่เป็นเสียงเตือนที่น่าตกใจ