Професор Тіффані Шоу, професор кафедри геологічних наук Чиказького університету
Південна півкуля — дуже турбулентне місце. Вітри на різних широтах описують як «ревучі сорок градусів», «шалені п'ятдесят градусів» та «кричущі шістдесят градусів». Хвилі сягають колосальних 78 футів (24 метри).
Як усім відомо, ніщо в північній півкулі не може зрівнятися з сильними штормами, вітром і хвилями в південній півкулі. Чому?
У новому дослідженні, опублікованому в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, ми з колегами розкриваємо, 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» та великих гір у північній півкулі.
Ми також показуємо, що з часом шторми в південній півкулі ставали інтенсивнішими, тоді як у північній півкулі – ні. Це узгоджується з моделюванням кліматичних моделей глобального потепління.
Ці зміни важливі, оскільки ми знаємо, що сильніші шторми можуть призвести до серйозніших наслідків, таких як екстремальні вітри, температури та опади.
Протягом тривалого часу більшість спостережень за погодою на Землі проводилися з суші. Це дало вченим чітке уявлення про шторми в північній півкулі. Однак у південній півкулі, яка охоплює близько 20 відсотків суші, ми не отримали чіткого уявлення про шторми, доки супутникові спостереження не стали доступними наприкінці 1970-х років.
З десятиліть спостережень, що тривали 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 штормів для Південної півкулі (зверху), Північної півкулі (в центрі) та різницю між ними (знизу) з 1980 по 2018 рік. (Зверніть увагу, що Південний полюс знаходиться у верхній частині порівняння між першою та останньою картами.)
На карті показано постійно високу інтенсивність штормів у Південному океані в Південній півкулі та їх концентрацію в Тихому та Атлантичному океанах (затінено помаранчевим кольором) у Північній півкулі. Карта різниці показує, що шторми сильніші в Південній півкулі, ніж у Північній півкулі (затінено помаранчевим кольором) на більшості широт.
Хоча існує багато різних теорій, ніхто не пропонує остаточного пояснення різниці в штормах між двома півкулями.
З'ясувати причини здається складним завданням. Як зрозуміти таку складну систему, що простягається на тисячі кілометрів, як атмосфера? Ми не можемо помістити Землю в банку та вивчати її. Однак саме цим займаються вчені, які вивчають фізику клімату. Ми застосовуємо закони фізики та використовуємо їх для розуміння атмосфери та клімату Землі.
Найвідомішим прикладом такого 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. Вона вивчає реакцію клімату на підвищення рівня вуглекислого газу в атмосфері за допомогою моделей різної фізичної складності та відстежує сигнали, що виникають від основних фізичних явищ.
Щоб краще зрозуміти шторми в Південній півкулі, ми зібрали кілька доказів, зокрема дані з кліматичних моделей, заснованих на фізичних даних. На першому етапі ми вивчаємо спостереження щодо розподілу енергії по всій Землі.
Оскільки Земля має кулю, її поверхня нерівномірно отримує сонячне випромінювання від Сонця. Більшість енергії отримується та поглинається на екваторі, де сонячні промені падають на поверхню безпосередньо. Натомість полюси, на які світло падає під крутими кутами, отримують менше енергії.
Десятиліття досліджень показали, що сила шторму походить від цієї різниці в енергії. По суті, вони перетворюють «статичну» енергію, що зберігається в цій різниці, на «кінетичну» енергію руху. Цей перехід відбувається через процес, відомий як «бароклінна нестабільність».
Ця точка зору показує, що падаюче сонячне світло не може пояснити більшу кількість штормів у Південній півкулі, оскільки обидві півкулі отримують однакову кількість сонячного світла. Натомість, наш спостережний аналіз показує, що різниця в інтенсивності штормів між півднем і північчю може бути зумовлена ​​двома різними факторами.
По-перше, транспортування енергії океану, яке часто називають «конвеєрною стрічкою». Вода опускається поблизу Північного полюса, тече вздовж океанічного дна, піднімається навколо Антарктиди та повертається на північ вздовж екватора, несучи з собою енергію. Кінцевим результатом є передача енергії з Антарктиди до Північного полюса. Це створює більший енергетичний контраст між екватором і полюсами в Південній півкулі, ніж у Північній півкулі, що призводить до сильніших штормів у Південній півкулі.
Другим фактором є великі гори в північній півкулі, які, як припускала попередня робота Манабе, пом'якшують шторми. Повітряні потоки над великими гірськими хребтами створюють фіксовані максимуми та мінімуми, що зменшують кількість енергії, доступної для штормів.
Однак, аналіз спостережуваних даних сам по собі не може підтвердити ці причини, оскільки занадто багато факторів діють та взаємодіють одночасно. Крім того, ми не можемо виключити окремі причини, щоб перевірити їхню значущість.
Для цього нам потрібно використовувати кліматичні моделі, щоб вивчити, як змінюються шторми, коли різні фактори видаляються.
Коли ми згладили земні гори в симуляції, різниця в інтенсивності штормів між півкулями зменшилася вдвічі. Коли ми прибрали океанічний конвеєр, інша половина різниці в інтенсивності штормів зникла. Таким чином, ми вперше знаходимо конкретне пояснення штормів у південній півкулі.
Оскільки шторми пов'язані з 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 кураторські резюме всіх ключових статей та документів Carbon Brief електронною поштою. Дізнайтеся більше про нашу розсилку тут.
Отримуйте кураторські резюме всіх ключових статей та документів Carbon Brief електронною поштою. Дізнайтеся більше про нашу розсилку тут.
Ключовим інструментом у підготовці суспільств до подолання наслідків зміни клімату є надання прогнозів на основі кліматичних моделей. Нове дослідження показує, що середньостатистичні шторми в південній півкулі стануть інтенсивнішими до кінця століття.
Навпаки, прогнозується, що зміни середньорічної інтенсивності штормів у Північній півкулі будуть помірними. Частково це пов'язано з конкуруючими сезонними ефектами між потеплінням у тропіках, яке посилює шторми, та швидким потеплінням в Арктиці, яке послаблює їх.
Однак клімат тут і зараз змінюється. Коли ми розглядаємо зміни за останні кілька десятиліть, ми виявляємо, що середні шторми стали інтенсивнішими протягом року в південній півкулі, тоді як зміни в північній півкулі були незначними, що узгоджується з прогнозами кліматичних моделей за той самий період.
Хоча моделі недооцінюють сигнал, вони вказують на зміни, що відбуваються з тих самих фізичних причин. Тобто, зміни в океані збільшують кількість штормів, 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 призводить до поглинання Арктикою більше сонячного світла та послаблення контрасту між екватором та полюсами.
Ставки в отриманні 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.
Сяо, Т. та ін. (2022) Шторми в Південній півкулі, спричинені формами рельєфу та циркуляцією океану, Праці Національної академії наук Сполучених Штатів Америки, doi: 10.1073/pnas.2123512119
Отримуйте кураторські резюме всіх ключових статей та документів Carbon Brief електронною поштою. Дізнайтеся більше про нашу розсилку тут.
Отримуйте кураторські резюме всіх ключових статей та документів Carbon Brief електронною поштою. Дізнайтеся більше про нашу розсилку тут.
Опубліковано за ліцензією CC. Ви можете повністю відтворювати неадаптований матеріал для некомерційного використання з посиланням на Carbon Brief та посиланням на статтю. Будь ласка, зв’яжіться з нами для комерційного використання.