Risonanza atmosferica, cos'è questo fenomeno e può prevedere il tempo?

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

L'atmosfera terrestre vibra come una campana gigante: le onde viaggiano lungo l'equatore in entrambe le direzioni, circondando il globo. Questa conclusione è stata raggiunta da scienziati giapponesi e statunitensi, confermando l'ipotesi di vecchia data della risonanza atmosferica. Che cos'è questo fenomeno e può essere utilizzato per prevedere il tempo e il cambiamento climatico a lungo termine?

onde di Laplace

All'inizio del XIX secolo, il fisico e matematico francese Pierre-Simon Laplace paragonò l'atmosfera terrestre a un vasto oceano che ricopre il pianeta e ne derivò formule, note oggi come equazioni di marea di Laplace, utilizzate nei calcoli per fare previsioni meteorologiche.

Laplace credeva che l'atmosfera avesse il suo flusso e riflusso, così come le onde di masse d'aria e l'energia termica. Tra le altre cose, ha menzionato le oscillazioni verticali sulla superficie terrestre, che si propagano in direzione orizzontale, che possono essere registrate dalle variazioni della pressione superficiale.

Le maree di calore atmosferico associate alla rotazione terrestre sono state scoperte da tempo dai geofisici. Tuttavia, non è stato possibile rilevare le onde orizzontali. E ora è chiaro perché.

Come hanno scoperto Takatoshi Sakazaki della Graduate School of Science dell'Università di Kyoto e Kevin Hamilton, professore dell'International Pacific Research Center presso l'Università delle Hawaii a Manoa, le onde di Laplace hanno scale molto grandi - coprono quasi interi emisferi - e molto corte periodi, meno di un giorno.

Pertanto, sono stati trascurati nello studio dei fenomeni atmosferici locali, come i temporali, e nello studio dei movimenti ampi ma a lungo termine delle masse d'aria.

Diagramma delle lunghezze d'onda orizzontali e dei periodi dei fenomeni atmosferici precedentemente studiati dagli scienziati. La stella sono le onde di marea. Contorno rosso - Zona di risonanza dell'onda di Laplace

"Scacchiera" della Terra

Gli autori dello studio hanno analizzato i dati del Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine (ECMWF) per 38 anni, dal 1979 al 2016, inclusi i cambiamenti orari della pressione atmosferica superficiale su tutta la superficie del pianeta. Di conseguenza, sono state identificate dozzine di modalità d'onda precedentemente sconosciute: sistemi di oscillazioni armoniche, che gli scienziati chiamano modalità.

I ricercatori erano particolarmente interessati alle onde con brevi periodi da due a 33 ore, che si propagavano orizzontalmente nell'atmosfera di tutto il mondo a una velocità incredibile, più di 1100 chilometri all'ora.

Le zone di alta e bassa pressione associate a queste onde creano un caratteristico motivo a scacchiera sulla mappa, che tuttavia differisce per ciascuna delle quattro modalità principali: Kelvin, Rossby, onde gravitazionali e una combinazione delle ultime due.

Un motivo a scacchiera creato dalle regioni di pressione bassa (blu) e alta (rossa). Ad esempio, vengono mostrati due dei quattro modi principali: Kelvin e gravitazionale con periodi di oscillazione dell'atmosfera terrestre di 32, 4 e 9, 4 ore. Risultati della simulazione al computer

Campana d'aria

Si è scoperto che l'atmosfera terrestre è come una campana che suona, quando i toni alti si sovrappongono allo sfondo principale a bassa frequenza. È questa combinazione di suono di sottofondo profondo con sottili traboccamenti che rende il suono della campana così piacevole.

Solo la "musica" della Terra non è suono, ma onde di pressione atmosferica, che coprono l'intero globo. Ciascuno dei quattro modi principali è una risonanza dell'atmosfera, per analogia con le risonanze di una campana. In questo caso, le onde Kelvin a bassa frequenza si propagano da est a ovest e il resto da ovest a est.

Gli scienziati hanno calcolato i parametri della risonanza derivanti dall'aggiunta di tutti e quattro i modi, esattamente coincidenti con le previsioni di Laplace. E questo ha confermato la sua idea principale che il tempo è controllato dalle onde di pressione atmosferica.

"È gratificante che la visione di Laplace e di altri fisici pionieri sia stata pienamente confermata due secoli dopo", ha citato Takatoshi Sakazaki in un comunicato stampa dell'Università delle Hawaii a Manoa.

"La nostra identificazione di così tante modalità nei dati del mondo reale mostra che l'atmosfera suona davvero come una campana", continua Hamilton.

Gli autori chiamano il verificarsi di zone di riscaldamento nascoste dovute alla convezione atmosferica e il meccanismo a cascata di propagazione dei flussi di energia turbolenta come possibili cause di risonanza globale.

Spostamento delle regioni di bassa (blu) e alta (rossa) pressione per ciascuno dei quattro modi principali: A - Onde di Rossby; B - Onde Kelvin; С - onde gravitazionali; D - modalità mista Rossby - gravità

Venti equatoriali in Antartide

Un altro fenomeno associato alle onde nell'atmosfera è stato recentemente spiegato da scienziati americani della Clemson University in South Carolina e dell'Università del Colorado a Boulder.

Osservando i vortici polari alla stazione McMurdo in Antartide - massicce correnti circolari di aria fredda che avvolgono ciascuno dei poli della Terra - hanno notato che il vortice antartico è sincrono con le fasi delle oscillazioni quasi biennali nell'atmosfera (QBO).

Circa ogni due anni, i venti latitudinali che soffiano all'equatore terrestre cambiano direzione da est a ovest. Il fronte inizia a un'altitudine di oltre 30 chilometri nella stratosfera e si sposta verso il basso a una velocità di circa un chilometro al mese. Dopo 13-14 mesi, l'inversione del vento avviene contemporaneamente lungo l'intero equatore. Un ciclo completo, quindi, dura dai 26 ai 28 mesi.

Schema generale delle oscillazioni quasi biennali

Gli americani hanno scoperto che durante la fase orientale del QBO, il vortice antartico si espande e si contrae durante la fase occidentale. Ciò è spiegato dal passaggio delle onde gravitazionali meridionali dall'equatore ai poli attraverso diversi strati dell'atmosfera.

Queste onde sono state registrate e hanno suggerito che sono associate a un cambiamento nella direzione dei venti che soffiano all'equatore - a una distanza di oltre novemila chilometri dal sito di osservazione. Il confronto con i dati del sistema di osservazione meteorologica e atmosferica MERRA-2 della NASA per il periodo dal 1999 al 2019 lo ha pienamente confermato.

È noto da tempo che l'espansione della zona del vortice polare porta il freddo alle medie latitudini. Tuttavia, il fatto che la causa principale sia un cambiamento nella direzione dei venti stratosferici ai tropici è stata una sorpresa.

Gli scienziati sperano che i modelli che hanno identificato portino a modelli climatici e di circolazione atmosferica più accurati per le previsioni meteorologiche. Allo stesso tempo, sono preoccupati per il fatto che negli ultimi decenni l'impatto dei fattori antropici sia andato aumentando.

Quindi, quattro anni fa, abbiamo notato una violazione della ciclicità della FTC. Nel febbraio 2016, la transizione ai venti da est è stata bruscamente interrotta. Una delle possibili ragioni è il riscaldamento globale.

Sveglia

Ancora più preoccupante è la crescente frequenza di eventi meteorologici estremi, spesso associati anche ad anomalie delle onde atmosferiche. In particolare, gli scienziati indicano il verificarsi di onde di Rossby atmosferiche quasi stazionarie nell'emisfero settentrionale.

Le Rossby Waves sono curve giganti nei venti d'alta quota che hanno un profondo effetto sul tempo. Se passano in uno stato quasi stazionario, il cambio di cicloni e anticicloni viene sospeso. Di conseguenza, in alcuni luoghi piove per settimane, trasformandosi in alluvioni, mentre in altri si imposta un caldo anomalo, come quest'anno nell'Artico.

Le ondate di calore e la siccità che colpiscono l'America centrale e settentrionale, l'Europa centrale e orientale, la regione del Mar Caspio e l'Asia orientale più volte durante l'estate e durano da una a due settimane, causano gravi danni all'agricoltura. Per diversi anni consecutivi, qui i raccolti sono diminuiti, il che complica la situazione sociale.

Così la "musica" della Terra suona sempre più spesso non come una dolce melodia, ma come un allarmante campanello d'allarme.