Resonansi atmosfer, apa fenomena ini dan dapatkah itu memprediksi cuaca?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Atmosfer bumi bergetar seperti lonceng raksasa: gelombang merambat di sepanjang khatulistiwa di kedua arah, mengelilingi dunia. Kesimpulan ini dicapai oleh para ilmuwan dari Jepang dan Amerika Serikat, membenarkan hipotesis lama tentang resonansi atmosfer. Apa fenomena ini dan dapatkah digunakan untuk memprediksi cuaca dan perubahan iklim jangka panjang?

Gelombang Laplace

Pada awal abad ke-19, fisikawan dan matematikawan Prancis Pierre-Simon Laplace membandingkan atmosfer bumi dengan lautan luas yang menutupi planet ini dan rumus turunan, yang sekarang dikenal sebagai persamaan pasang surut Laplace, digunakan dalam perhitungan untuk membuat prakiraan cuaca.

Laplace percaya bahwa atmosfer memiliki pasang surutnya sendiri, serta gelombang massa udara dan energi panas. Antara lain, ia menyebutkan osilasi vertikal di permukaan bumi, merambat ke arah horizontal, yang dapat direkam oleh perubahan tekanan permukaan.

Pasang panas atmosfer yang terkait dengan rotasi bumi telah lama ditemukan oleh ahli geofisika. Namun, gelombang horizontal tidak dapat dideteksi. Dan sekarang sudah jelas alasannya.

Seperti yang ditemukan oleh Takatoshi Sakazaki dari Graduate School of Science of Kyoto University dan Kevin Hamilton, profesor International Pacific Research Center di University of Hawaii di Manoa, gelombang Laplace memiliki skala yang sangat besar - menutupi hampir seluruh belahan bumi - dan sangat pendek haid, kurang dari sehari.

Oleh karena itu, mereka diabaikan dalam studi fenomena atmosfer lokal, seperti badai petir, dan dalam studi pergerakan massa udara yang besar namun berjangka panjang.

Diagram panjang gelombang horizontal dan periode fenomena atmosfer yang sebelumnya dipelajari oleh para ilmuwan. Bintang adalah gelombang pasang. Kontur merah - Zona resonansi gelombang Laplace

"Papan Catur" Bumi

Penulis penelitian menganalisis data dari Pusat Prakiraan Cuaca Jangka Menengah Eropa (ECMWF) selama 38 tahun - dari 1979 hingga 2016 inklusif, termasuk perubahan per jam pada tekanan atmosfer permukaan di seluruh permukaan planet. Akibatnya, lusinan mode gelombang yang sebelumnya tidak diketahui diidentifikasi - sistem osilasi harmonik, yang oleh para ilmuwan disebut mode.

Para peneliti sangat tertarik pada gelombang dengan periode pendek dari dua hingga 33 jam, menyebar secara horizontal di atmosfer di seluruh dunia dengan kecepatan luar biasa - lebih dari 1.100 kilometer per jam.

Zona tekanan tinggi dan rendah yang terkait dengan gelombang ini menciptakan pola kotak-kotak karakteristik pada peta, yang, bagaimanapun, berbeda untuk masing-masing dari empat mode utama - Kelvin, Rossby, gelombang gravitasi dan kombinasi dari dua yang terakhir.

Pola kotak-kotak yang dibuat oleh daerah tekanan rendah (biru) dan tinggi (merah). Sebagai contoh, dua dari empat mode utama ditampilkan - Kelvin dan gravitasi dengan periode osilasi atmosfer bumi 32, 4 dan 9, 4 jam. Hasil simulasi komputer

bel udara

Ternyata atmosfer Bumi seperti bel yang berdering, ketika nada tinggi ditumpangkan pada latar belakang frekuensi rendah utama. Kombinasi suara latar belakang yang dalam dengan luapan halus inilah yang membuat bel berbunyi begitu menyenangkan.

Hanya "musik" Bumi yang bukan suara, tetapi gelombang tekanan atmosfer, yang menutupi seluruh dunia. Masing-masing dari empat mode utama adalah resonansi atmosfer, dengan analogi dengan resonansi lonceng. Dalam hal ini, gelombang Kelvin frekuensi rendah merambat dari timur ke barat, dan sisanya - dari barat ke timur.

Para ilmuwan menghitung parameter resonansi yang timbul dari penambahan keempat mode, persis bertepatan dengan prediksi Laplace. Dan ini menegaskan gagasan utamanya bahwa cuaca dikendalikan oleh gelombang tekanan atmosfer.

"Sungguh menggembirakan bahwa visi Laplace dan fisikawan pionir lainnya telah sepenuhnya dikonfirmasi dua abad kemudian," Takatoshi Sakazaki dikutip dalam siaran pers dari University of Hawaii di Manoa.

"Identifikasi kami tentang begitu banyak mode dalam data dunia nyata menunjukkan bahwa atmosfer benar-benar berdering seperti bel," lanjut Hamilton.

Penulis menyebut terjadinya zona pemanasan tersembunyi karena konveksi atmosfer dan mekanisme kaskade perambatan aliran energi turbulen sebagai kemungkinan penyebab resonansi global.

Perpindahan daerah tekanan rendah (biru) dan tinggi (merah) untuk masing-masing dari empat mode utama: A - gelombang Rossby; B - gelombang Kelvin; - gelombang gravitasi; D - mode campuran Rossby - gravitasi

Angin Khatulistiwa di Antartika

Fenomena lain yang terkait dengan gelombang di atmosfer baru-baru ini dijelaskan oleh ilmuwan Amerika dari Clemson University di South Carolina dan University of Colorado di Boulder.

Mengamati pusaran kutub di stasiun McMurdo di Antartika - arus melingkar besar-besaran dari udara dingin yang berputar di atas masing-masing kutub bumi - mereka memperhatikan bahwa pusaran Antartika sinkron dengan fase osilasi kuasi-dua tahunan di atmosfer (QBO).

Kira-kira setiap dua tahun, angin latitudinal yang bertiup di ekuator bumi berubah arah dari timur ke barat. Bagian depan dimulai pada ketinggian lebih dari 30 kilometer di stratosfer dan bergerak ke bawah dengan kecepatan sekitar satu kilometer per bulan. Setelah 13-14 bulan, inversi angin terjadi serentak di sepanjang ekuator. Oleh karena itu, siklus lengkap membutuhkan waktu 26 hingga 28 bulan.

Skema umum osilasi kuasi-dua tahunan

Orang Amerika menemukan bahwa selama fase timur QBO, pusaran Antartika mengembang dan berkontraksi selama fase barat. Hal ini dijelaskan oleh perjalanan gelombang gravitasi meridional dari khatulistiwa ke kutub melalui lapisan atmosfer yang berbeda.

Gelombang ini direkam dan disarankan bahwa mereka terkait dengan perubahan arah angin yang bertiup di khatulistiwa - pada jarak lebih dari sembilan ribu kilometer dari lokasi pengamatan. Perbandingan dengan data dari sistem pengamatan meteorologi dan atmosfer MERRA-2 NASA untuk periode 1999 hingga 2019 sepenuhnya mengkonfirmasi hal ini.

Telah lama diketahui bahwa perluasan zona pusaran kutub membawa cuaca dingin ke garis lintang tengah. Namun, fakta bahwa akar penyebabnya adalah perubahan arah angin stratosfer di daerah tropis mengejutkan.

Para ilmuwan berharap bahwa pola yang telah mereka identifikasi akan menghasilkan model sirkulasi iklim dan atmosfer yang lebih akurat untuk prakiraan cuaca. Pada saat yang sama, mereka khawatir bahwa dalam beberapa dekade terakhir, dampak faktor antropogenik telah meningkat.

Jadi, empat tahun lalu, kami melihat pelanggaran siklus FTC. Pada bulan Februari 2016, transisi ke angin timur tiba-tiba terganggu. Salah satu kemungkinan penyebabnya adalah pemanasan global.

Bel alarm

Kekhawatiran yang lebih besar adalah meningkatnya frekuensi kejadian cuaca ekstrem, yang sering juga dikaitkan dengan anomali gelombang atmosfer. Secara khusus, para ilmuwan menunjukkan terjadinya gelombang Rossby atmosfer kuasi-stasioner di Belahan Bumi Utara.

Rossby Waves adalah tikungan raksasa di angin ketinggian tinggi yang memiliki efek mendalam pada cuaca. Jika mereka masuk ke keadaan kuasi-stasioner, perubahan siklon dan antisiklon dihentikan. Akibatnya, di beberapa tempat hujan selama berminggu-minggu, berubah menjadi banjir, sementara di tempat lain, terjadi panas yang tidak normal, seperti tahun ini di Kutub Utara.

Gelombang panas dan kekeringan yang melanda Amerika Tengah dan Utara, Eropa Tengah dan Timur, wilayah Laut Kaspia dan Asia Timur beberapa kali selama musim panas dan berlangsung selama satu hingga dua minggu, menyebabkan kerusakan serius pada pertanian. Selama beberapa tahun berturut-turut, panen menurun di sini, yang memperumit situasi sosial.

Jadi "musik" Bumi semakin sering terdengar bukan seperti melodi yang lembut, tetapi bel alarm yang mengkhawatirkan.