الرنين الجوي ما هي هذه الظاهرة وهل يمكنها التنبؤ بالطقس؟

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

يهتز الغلاف الجوي للأرض مثل الجرس العملاق: تنتقل الموجات على طول خط الاستواء في كلا الاتجاهين ، وتحيط بالكرة الأرضية. تم التوصل إلى هذا الاستنتاج من قبل علماء من اليابان والولايات المتحدة ، مما يؤكد الفرضية طويلة الأمد للرنين الجوي. ما هي هذه الظاهرة وهل يمكن استخدامها للتنبؤ بالطقس والتغير المناخي على المدى الطويل؟

موجات لابلاس

في أوائل القرن التاسع عشر ، قارن الفيزيائي وعالم الرياضيات الفرنسي بيير سيمون لابلاس الغلاف الجوي للأرض بمحيط شاسع يغطي الكوكب والصيغ المشتقة ، المعروفة اليوم باسم معادلات لابلاس للمد والجزر ، والتي تُستخدم في الحسابات لعمل تنبؤات الطقس.

اعتقد لابلاس أن الغلاف الجوي له مد وجذر خاص به ، بالإضافة إلى موجات من الكتل الهوائية والطاقة الحرارية. من بين أمور أخرى ، ذكر التذبذبات الرأسية على سطح الأرض ، والتي تنتشر في الاتجاه الأفقي ، والتي يمكن تسجيلها من خلال التغيرات في ضغط السطح.

اكتشف الجيوفيزيائيون منذ فترة طويلة المد والجزر الحراري في الغلاف الجوي المرتبط بدوران الأرض. ومع ذلك ، لا يمكن الكشف عن الموجات الأفقية. والآن من الواضح لماذا.

كما اكتشف تاكاتوشي ساكازاكي من كلية الدراسات العليا للعلوم بجامعة كيوتو وكيفين هاميلتون ، الأستاذ في المركز الدولي للبحوث في المحيط الهادئ بجامعة هاواي في مانوا ، أن موجات لابلاس لها مقاييس كبيرة جدًا - فهي تغطي نصفي الكرة الأرضية بالكامل تقريبًا - وقصيرة جدًا فترات ، أقل من يوم.

لذلك ، تم التغاضي عنها في دراسة ظواهر الغلاف الجوي المحلية ، مثل العواصف الرعدية ، وفي دراسة الحركات الكبيرة ولكن طويلة المدى للكتل الهوائية.

رسم تخطيطي للأطوال الموجية الأفقية وفترات الظواهر الجوية التي درسها العلماء سابقًا. النجم موجات المد والجزر. الكفاف الأحمر - منطقة صدى موجة لابلاس

"رقعة الشطرنج" للأرض

حلل مؤلفو الدراسة البيانات من المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF) لمدة 38 عامًا - من 1979 إلى 2016 شاملة ، بما في ذلك التغيرات التي تحدث كل ساعة في الضغط الجوي السطحي عبر سطح الكوكب بأكمله. نتيجة لذلك ، تم تحديد العشرات من أنماط الموجات غير المعروفة سابقًا - أنظمة التذبذبات التوافقية ، والتي يسميها العلماء أوضاعًا.

كان الباحثون مهتمين بشكل خاص بالموجات ذات الفترات القصيرة من ساعتين إلى 33 ساعة ، وتنتشر أفقيًا في الغلاف الجوي حول العالم بسرعة هائلة - أكثر من 1100 كيلومتر في الساعة.

تخلق مناطق الضغط المرتفع والمنخفض المرتبطة بهذه الموجات نمطًا مميزًا للوحة الشطرنج على الخريطة ، والذي يختلف ، مع ذلك ، لكل من الأوضاع الأربعة الرئيسية - كيلفن ، روسبي ، موجات الجاذبية ومزيج من الوضعين الأخيرين.

نمط رقعة الشطرنج تم إنشاؤه بواسطة منطقتي الضغط المنخفض (الأزرق) والمرتفع (الأحمر). كمثال ، يتم عرض وضعين من الأنماط الأربعة الرئيسية - كلفن والجاذبية مع فترات تذبذب في الغلاف الجوي للأرض تبلغ 32 و 4 و 9 و 4 ساعات. نتائج المحاكاة الحاسوبية

جرس هوائي

اتضح أن الغلاف الجوي للأرض يشبه الجرس الرنين ، عندما يتم تركيب إيحاءات عالية على الخلفية الرئيسية منخفضة التردد. هذا المزيج من صوت الخلفية العميقة مع التدفق الخفيف هو الذي يجعل رنين الجرس ممتعًا للغاية.

فقط "موسيقى" الأرض ليست صوتية ، بل موجات ضغط جوي تغطي الكرة الأرضية بأكملها. كل وضع من الأوضاع الأربعة الرئيسية هو رنين للغلاف الجوي ، قياسا على رنين الجرس. في هذه الحالة ، تنتشر موجات كلفن منخفضة التردد من الشرق إلى الغرب ، والباقي - من الغرب إلى الشرق.

قام العلماء بحساب معلمات الرنين الناتجة عن إضافة جميع الأنماط الأربعة ، والتي تزامنت تمامًا مع تنبؤات لابلاس. وهذا أكد فكرته الرئيسية بأن الطقس تتحكم فيه موجات الضغط الجوي.

نقل تاكاتوشي ساكازاكي في بيان صحفي من جامعة هاواي في مانوا: "إنه لمن دواعي السرور أن رؤية لابلاس والفيزيائيين الرواد الآخرين قد تأكدت بالكامل بعد قرنين من الزمان".

يتابع هاميلتون: "يُظهر تحديدنا للعديد من الأوضاع في بيانات العالم الحقيقي أن الغلاف الجوي يرن حقًا مثل الجرس".

يسمي المؤلفون حدوث مناطق التسخين المخفية بسبب الحمل الحراري في الغلاف الجوي وآلية التعاقب لانتشار تدفقات الطاقة المضطربة كأسباب محتملة للرنين العالمي.

إزاحة مناطق الضغط المنخفض (الأزرق) والمرتفع (الأحمر) لكل من الأوضاع الأربعة الرئيسية: أ - موجات روسبي ؛ ب - موجات كلفن ؛ С - موجات الجاذبية د- الوضع المختلط روسبي - الجاذبية

الرياح الاستوائية في القارة القطبية الجنوبية

ظاهرة أخرى مرتبطة بالموجات في الغلاف الجوي تم شرحها مؤخرًا من قبل علماء أمريكيين من جامعة كليمسون في ساوث كارولينا وجامعة كولورادو في بولدر.

من خلال مراقبة الدوامات القطبية في محطة ماكموردو في أنتاركتيكا - التيارات الدائرية الهائلة من الهواء البارد التي تدور حول كل من قطبي الأرض - لاحظوا أن دوامة القطب الجنوبي متزامنة مع مراحل التذبذبات شبه كل سنتين في الغلاف الجوي (QBO).

كل عامين تقريبًا ، تغير الرياح العرضية التي تهب عند خط استواء الأرض اتجاهها من الشرق إلى الغرب. تبدأ الجبهة على ارتفاع يزيد عن 30 كيلومترًا في طبقة الستراتوسفير وتتحرك نحو الأسفل بسرعة كيلومتر واحد تقريبًا في الشهر. بعد 13-14 شهرًا ، يحدث انعكاس الرياح في وقت واحد على طول خط الاستواء. وبالتالي ، تستغرق الدورة الكاملة من 26 إلى 28 شهرًا.

المخطط العام للتذبذبات شبه كل سنتين

وجد الأمريكيون أنه خلال المرحلة الشرقية من QBO ، تتوسع دوامة القطب الجنوبي وتتقلص خلال المرحلة الغربية. يفسر ذلك مرور موجات الجاذبية الأرضية من خط الاستواء إلى القطبين عبر طبقات مختلفة من الغلاف الجوي.

تم تسجيل هذه الموجات واقترح أنها مرتبطة بتغيير في اتجاه الرياح التي تهب عند خط الاستواء - على مسافة تزيد عن تسعة آلاف كيلومتر من موقع المراقبة. أكدت المقارنة مع البيانات المأخوذة من نظام مراقبة الأرصاد الجوية والغلاف الجوي MERRA-2 التابع لناسا للفترة من 1999 إلى 2019 هذا تمامًا.

من المعروف منذ فترة طويلة أن توسع منطقة الدوامة القطبية يجلب الطقس البارد إلى خطوط العرض الوسطى. ومع ذلك ، فإن حقيقة أن السبب الجذري هو تغيير في اتجاه رياح الستراتوسفير في المناطق الاستوائية كانت مفاجأة.

يأمل العلماء أن تؤدي الأنماط التي حددوها إلى نماذج أكثر دقة للمناخ ودورة الغلاف الجوي للتنبؤ بالطقس. وفي الوقت نفسه ، فإنهم قلقون من أن تأثير العوامل البشرية قد تزايد في العقود الأخيرة.

لذا ، قبل أربع سنوات ، لاحظنا حدوث انتهاك لدورة لجنة التجارة الفيدرالية. في فبراير 2016 ، توقف الانتقال إلى الرياح الشرقية فجأة. أحد الأسباب المحتملة هو الاحتباس الحراري.

جرس الانذار

ومما يثير القلق الأكبر هو زيادة تواتر الظواهر الجوية المتطرفة ، والتي غالبًا ما ترتبط أيضًا بحالات شذوذ في الموجات الجوية. على وجه الخصوص ، يشير العلماء إلى حدوث موجات روسبي شبه الثابتة في الغلاف الجوي في نصف الكرة الشمالي.

أمواج روسبي هي انحناءات عملاقة في رياح شديدة الارتفاع لها تأثير عميق على الطقس. إذا انتقلوا إلى حالة شبه ثابتة ، يتم تعليق تغيير الأعاصير والأعاصير المضادة. نتيجة لذلك ، تمطر في بعض الأماكن لأسابيع ، وتتحول إلى فيضانات ، بينما في أماكن أخرى ، يتم تعيين حرارة غير طبيعية ، كما هو الحال هذا العام في القطب الشمالي.

موجات الحر والجفاف التي تضرب أمريكا الوسطى والشمالية ، ووسط وشرق أوروبا ، ومنطقة بحر قزوين وشرق آسيا عدة مرات خلال الصيف وتستمر من أسبوع إلى أسبوعين ، تتسبب في أضرار جسيمة للزراعة. لعدة سنوات متتالية ، انخفض المحاصيل هنا ، مما يعقد الوضع الاجتماعي.

لذا فإن "موسيقى" الأرض في كثير من الأحيان لا تبدو وكأنها لحن رقيق ، ولكنها جرس إنذار ينذر بالخطر.