Професор Тіффані Шоу, професор кафедри геонаук Чиказького університету
Південна півкуля є дуже неспокійним місцем.Вітри на різних широтах описуються як «ревючі сорок градусів», «люті п'ятдесят градусів» і «кричущі шістдесят градусів».Хвилі досягають колосальних 78 футів (24 метри).
Як ми всі знаємо, ніщо в північній півкулі не може зрівнятися з сильними штормами, вітром і хвилями в південній півкулі.чому
У новому дослідженні, опублікованому в Proceedings of the National Academy of Sciences, ми з моїми колегами з’ясували, чому шторми частіше трапляються в південній півкулі, ніж у північній.
Поєднуючи кілька доказів зі спостережень, теорії та кліматичних моделей, наші результати вказують на фундаментальну роль глобальних океанічних «конвеєрних стрічок» і великих гір у північній півкулі.
Ми також показуємо, що з часом шторми в південній півкулі ставали інтенсивнішими, а в північній – ні.Це узгоджується з кліматичною моделлю глобального потепління.
Ці зміни мають значення, оскільки ми знаємо, що сильніші шторми можуть призвести до більш серйозних наслідків, таких як екстремальні вітри, температури та опади.
Довгий час більшість спостережень за погодою на Землі велася з суші.Це дало вченим чітке уявлення про шторм у північній півкулі.Однак у Південній півкулі, яка займає близько 20 відсотків суші, ми не отримали чіткої картини штормів, доки наприкінці 1970-х років не стали доступними супутникові спостереження.
За десятиліттями спостережень з початку ери супутників ми знаємо, що шторми в південній півкулі приблизно на 24 відсотки сильніші, ніж у північній півкулі.
Це показано на карті нижче, яка показує спостережувану середньорічну інтенсивність шторму для Південної півкулі (вгорі), Північної півкулі (у центрі) та різницю між ними (внизу) з 1980 по 2018 рік. (Зверніть увагу, що Південний полюс знаходиться на у верхній частині порівняння першої та останньої карт.)
На карті показано постійну високу інтенсивність штормів у Південному океані в Південній півкулі та їх концентрацію в Тихому й Атлантичному океанах (заштриховані помаранчевим кольором) у Північній півкулі.Карта відмінностей показує, що шторми на більшості широт сильніші в південній півкулі, ніж у північній (оранжевий колір).
Хоча існує багато різних теорій, ніхто не пропонує остаточного пояснення різниці в штормах між двома півкулями.
З’ясувати причини видається складним завданням.Як зрозуміти таку складну систему, що охоплює тисячі кілометрів, як атмосфера?Ми не можемо поставити Землю в банку і вивчати її.Однак саме цим займаються вчені, які вивчають фізику клімату.Ми застосовуємо закони фізики та використовуємо їх, щоб зрозуміти атмосферу та клімат Землі.
Найвідомішим прикладом цього підходу є новаторська робота доктора Шуро Манабе, який отримав Нобелівську премію з фізики 2021 року «за надійне передбачення глобального потепління».Його прогнози базуються на фізичних моделях клімату Землі, починаючи від найпростіших одновимірних температурних моделей і закінчуючи повноцінними тривимірними моделями.Він вивчає реакцію клімату на підвищення рівня вуглекислого газу в атмосфері за допомогою моделей різної фізичної складності та відстежує вихідні сигнали від основних фізичних явищ.
Щоб зрозуміти більше штормів у південній півкулі, ми зібрали кілька ліній доказів, у тому числі дані з кліматичних моделей на основі фізики.На першому кроці ми вивчаємо спостереження з точки зору того, як енергія розподіляється на Землі.
Оскільки Земля є кулею, її поверхня отримує сонячне випромінювання від Сонця нерівномірно.Більшість енергії отримується і поглинається на екваторі, де сонячні промені потрапляють на поверхню пряміше.Навпаки, стовпи, на які світло потрапляє під крутими кутами, отримують менше енергії.
Десятиліття досліджень показали, що сила шторму залежить від цієї різниці в енергії.По суті, вони перетворюють «статичну» енергію, збережену в цій різниці, в «кінетичну» енергію руху.Цей перехід відбувається через процес, відомий як «бароклінна нестабільність».
Ця точка зору припускає, що падаюче сонячне світло не може пояснити велику кількість штормів у Південній півкулі, оскільки обидві півкулі отримують однакову кількість сонячного світла.Натомість наш аналіз спостережень показує, що різниця в інтенсивності шторму між півднем і північчю може бути спричинена двома різними факторами.
По-перше, транспорт океанської енергії, який часто називають «конвеєром».Вода занурюється біля Північного полюса, тече по дну океану, піднімається навколо Антарктиди і тече назад на північ уздовж екватора, несучи з собою енергію.Кінцевим результатом є передача енергії від Антарктиди до Північного полюса.Це створює більший енергетичний контраст між екватором і полюсами в південній півкулі, ніж у північній, що призводить до сильніших штормів у південній півкулі.
Другим фактором є великі гори в північній півкулі, які, як передбачалося в попередній роботі Манабе, пом'якшують шторми.Повітряні потоки над великими гірськими хребтами створюють фіксовані максимуми та мінімуми, що зменшує кількість енергії, доступної для штормів.
Однак лише аналіз спостережених даних не може підтвердити ці причини, оскільки надто багато факторів діють і взаємодіють одночасно.Крім того, ми не можемо виключати окремі причини, щоб перевірити їхню значимість.
Для цього нам потрібно використовувати кліматичні моделі, щоб вивчити, як змінюються шторми, якщо усунути різні фактори.
Коли ми згладили земні гори під час симуляції, різниця в інтенсивності шторму між півкулями зменшилася вдвічі.Коли ми прибрали конвеєр океану, друга половина різниці штормів зникла.Таким чином, ми вперше знаходимо конкретне пояснення штормів у південній півкулі.
Оскільки шторми пов’язані із серйозними соціальними наслідками, такими як екстремальні вітри, температури та опади, важливе питання, на яке ми повинні відповісти, полягає в тому, чи будуть майбутні шторми сильнішими чи слабшими.
Отримуйте підібрані резюме всіх ключових статей і документів від Carbon Brief електронною поштою.Дізнайтеся більше про нашу розсилку тут.
Отримуйте підібрані резюме всіх ключових статей і документів від Carbon Brief електронною поштою.Дізнайтеся більше про нашу розсилку тут.
Ключовим інструментом у підготовці суспільства до боротьби з наслідками зміни клімату є надання прогнозів на основі кліматичних моделей.Нове дослідження показує, що середні шторми в південній півкулі стануть більш інтенсивними до кінця століття.
Навпаки, зміни середньорічної інтенсивності штормів у Північній півкулі передбачають помірними.Частково це пов’язано з конкуруючими сезонними ефектами між потеплінням у тропіках, яке робить шторми сильнішими, та швидким потеплінням в Арктиці, яке робить їх слабшими.
Однак клімат тут і зараз змінюється.Коли ми дивимося на зміни за останні кілька десятиліть, ми виявляємо, що середні шторми стали більш інтенсивними протягом року в південній півкулі, тоді як зміни в північній півкулі були незначними, що відповідає прогнозам кліматичної моделі за той самий період .
Хоча моделі недооцінюють сигнал, вони вказують на зміни, що відбуваються з тих же фізичних причин.Тобто зміни в океані посилюють шторми, оскільки тепліша вода рухається до екватора, а холодніша вода виноситься на поверхню навколо Антарктиди, щоб замінити її, що призводить до сильнішого контрасту між екватором і полюсами.
У Північній півкулі зміни океану компенсуються втратою морського льоду та снігу, що змушує Арктику поглинати більше сонячного світла та послаблює контраст між екватором і полюсами.
Ставки отримання правильної відповіді високі.Для майбутньої роботи буде важливо визначити, чому моделі недооцінюють спостережуваний сигнал, але не менш важливо буде отримати правильну відповідь з правильних фізичних причин.
Xiao, T. та ін.(2022) Шторми в південній півкулі через форми рельєфу та циркуляцію океану, Праці Національної академії наук Сполучених Штатів Америки, doi: 10.1073/pnas.2123512119
Отримуйте підібрані резюме всіх ключових статей і документів від Carbon Brief електронною поштою.Дізнайтеся більше про нашу розсилку тут.
Отримуйте підібрані резюме всіх ключових статей і документів від Carbon Brief електронною поштою.Дізнайтеся більше про нашу розсилку тут.
Опубліковано за ліцензією CC.Ви можете відтворити неадаптований матеріал повністю для некомерційного використання з посиланням на Carbon Brief і посиланням на статтю.Будь ласка, зв'яжіться з нами для комерційного використання.