Atmosphärische Resonanz, was ist dieses Phänomen und kann es das Wetter vorhersagen?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Die Erdatmosphäre vibriert wie eine riesige Glocke: Wellen bewegen sich entlang des Äquators in beide Richtungen und umkreisen den Globus. Diese Schlussfolgerung wurde von Wissenschaftlern aus Japan und den Vereinigten Staaten gezogen und bestätigt die seit langem bestehende Hypothese der atmosphärischen Resonanz. Was ist dieses Phänomen und kann es verwendet werden, um das Wetter und den langfristigen Klimawandel vorherzusagen?

Laplace-Wellen

Im frühen 19. Jahrhundert verglich der französische Physiker und Mathematiker Pierre-Simon Laplace die Erdatmosphäre mit einem riesigen Ozean, der den Planeten bedeckt, und leitete Formeln ab, die heute als Laplaces Gezeitengleichungen bekannt sind und in Berechnungen zur Erstellung von Wettervorhersagen verwendet werden.

Laplace glaubte, dass die Atmosphäre ihre eigene Ebbe und Flut sowie Wellen von Luftmassen und thermischer Energie hat. Er erwähnte unter anderem vertikale Schwingungen an der Erdoberfläche, die sich in horizontaler Richtung ausbreiten und durch Veränderungen des Oberflächendrucks erfasst werden können.

Geophysiker haben seit langem atmosphärische Hitzewellen entdeckt, die mit der Erdrotation in Verbindung stehen. Horizontale Wellen konnten jedoch nicht nachgewiesen werden. Und jetzt ist klar warum.

Wie Takatoshi Sakazaki von der Graduate School of Science der Kyoto University und Kevin Hamilton, Professor des International Pacific Research Center an der University of Hawaii at Manoa, herausfanden, haben Laplace-Wellen sehr große Skalen – sie decken fast ganze Hemisphären ab – und sehr kurz Zeiträume, weniger als einen Tag.

Daher wurden sie bei der Untersuchung lokaler atmosphärischer Phänomene wie Gewitter und bei der Untersuchung großer, aber langfristiger Luftmassenbewegungen übersehen.

Diagramm der horizontalen Wellenlängen und Perioden atmosphärischer Phänomene, die zuvor von Wissenschaftlern untersucht wurden. Der Stern sind Flutwellen. Rote Kontur - Laplace-Wellenresonanzzone

"Schachbrett" der Erde

Die Autoren der Studie analysierten Daten des European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) für 38 Jahre - von 1979 bis einschließlich 2016, einschließlich der stündlichen Änderungen des Oberflächenluftdrucks über die gesamte Oberfläche des Planeten. Als Ergebnis wurden Dutzende von bisher unbekannten Wellenmoden identifiziert - Systeme harmonischer Schwingungen, die Wissenschaftler Moden nennen.

Die Forscher interessierten sich vor allem für Wellen mit kurzen Perioden von zwei bis 33 Stunden, die sich mit einer enormen Geschwindigkeit von über 1100 Stundenkilometern horizontal in der Atmosphäre rund um den Globus ausbreiten.

Die mit diesen Wellen verbundenen Hoch- und Tiefdruckzonen erzeugen auf der Karte ein charakteristisches Schachbrettmuster, das sich jedoch für jeden der vier Hauptmodi unterscheidet - Kelvin, Rossby, Gravitationswellen und eine Kombination der beiden letzteren.

Ein Schachbrettmuster, das durch die Bereiche mit niedrigem (blau) und hohem (rot) Druck erzeugt wird. Als Beispiel werden zwei der vier Hauptmoden gezeigt - Kelvin und Gravitation mit Schwingungsperioden der Erdatmosphäre von 32, 4 und 9, 4 Stunden. Ergebnisse der Computersimulation

Luftglocke

Es stellte sich heraus, dass die Erdatmosphäre wie eine klingelnde Glocke ist, wenn hohe Obertöne dem niederfrequenten Haupthintergrund überlagert werden. Es ist diese Kombination aus tiefem Hintergrundsound mit subtilen Überläufen, die das Klingeln so angenehm macht.

Nur die "Musik" der Erde ist kein Schall, sondern Wellen von atmosphärischem Druck, die den gesamten Globus umspannen. Jeder der vier Hauptmodi ist eine Resonanz der Atmosphäre, analog zu den Resonanzen einer Glocke. In diesem Fall breiten sich niederfrequente Kelvin-Wellen von Ost nach West aus und der Rest - von West nach Ost.

Die Wissenschaftler berechneten die Parameter der Resonanz, die sich aus der Addition aller vier Moden ergaben, die exakt mit den Vorhersagen von Laplace übereinstimmten. Und dies bestätigte seine Hauptidee, dass das Wetter durch atmosphärische Druckwellen gesteuert wird.

"Es ist erfreulich, dass sich die Vision von Laplace und anderen Pionierphysikern zwei Jahrhunderte später vollständig bestätigt hat", zitierte Takatoshi Sakazaki eine Pressemitteilung der University of Hawaii in Manoa.

„Unsere Identifizierung so vieler Modi in realen Daten zeigt, dass die Atmosphäre wirklich wie eine Glocke klingelt“, fährt Hamilton fort.

Als mögliche Ursachen globaler Resonanz nennen die Autoren das Auftreten versteckter Erwärmungszonen durch atmosphärische Konvektion und den Kaskadenmechanismus der Ausbreitung turbulenter Energieflüsse.

Verschiebung der Bereiche niedrigen (blau) und hohen (rot) Drucks für jeden der vier Hauptmodi: A - Rossby-Wellen; B - Kelvin-Wellen; С - Gravitationswellen; D - Mixed-Mode Rossby - Schwerkraft

Äquatoriale Winde in der Antarktis

Ein weiteres Phänomen, das mit Wellen in der Atmosphäre in Verbindung steht, wurde kürzlich von amerikanischen Wissenschaftlern der Clemson University in South Carolina und der University of Colorado in Boulder erklärt.

Bei der Beobachtung von Polarwirbeln an der McMurdo-Station in der Antarktis – massive kreisförmige Kaltluftströme, die sich spiralförmig über jeden der Erdpole drehen – stellten sie fest, dass der antarktische Wirbel synchron mit den Phasen der quasi-zweijährigen Schwingungen in der Atmosphäre (QBO) ist.

Ungefähr alle zwei Jahre ändern die Breitenwinde, die am Äquator der Erde wehen, ihre Richtung von Ost nach West. Die Front beginnt in einer Höhe von mehr als 30 Kilometern in der Stratosphäre und bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Kilometer pro Monat nach unten. Nach 13-14 Monaten tritt gleichzeitig entlang des gesamten Äquators Windinversion auf. Ein vollständiger Zyklus dauert daher 26 bis 28 Monate.

Allgemeines Schema quasi-zweijähriger Oszillationen

Die Amerikaner fanden heraus, dass sich der antarktische Wirbel während der Ostphase des QBO während der Westphase ausdehnt und zusammenzieht. Dies wird durch den Durchgang meridionaler Gravitationswellen vom Äquator zu den Polen durch verschiedene Schichten der Atmosphäre erklärt.

Diese Wellen wurden aufgezeichnet und deuteten darauf hin, dass sie mit einer Änderung der Windrichtung am Äquator in Verbindung stehen - in einer Entfernung von mehr als neuntausend Kilometern vom Beobachtungsort. Der Vergleich mit Daten des meteorologischen und atmosphärischen Beobachtungssystems MERRA-2 der NASA für den Zeitraum von 1999 bis 2019 bestätigte dies vollständig.

Es ist seit langem bekannt, dass die Ausdehnung der Polarwirbelzone kaltes Wetter in die mittleren Breiten bringt. Dass die Ursache jedoch eine Richtungsänderung der stratosphärischen Winde in den Tropen ist, kam überraschend.

Wissenschaftler hoffen, dass die von ihnen identifizierten Muster zu genaueren Klima- und atmosphärischen Zirkulationsmodellen für die Wettervorhersage führen werden. Gleichzeitig befürchten sie, dass der Einfluss anthropogener Faktoren in den letzten Jahrzehnten zugenommen hat.

Vor vier Jahren haben wir also eine Verletzung der Zyklizität der FTC festgestellt. Im Februar 2016 wurde der Übergang auf Ostwind abrupt unterbrochen. Einer der möglichen Gründe ist die globale Erwärmung.

Alarmglocke

Noch besorgniserregender ist die zunehmende Häufigkeit extremer Wetterereignisse, die oft auch mit atmosphärischen Wellenanomalien verbunden sind. Insbesondere weisen Wissenschaftler auf das Auftreten quasistationärer atmosphärischer Rossby-Wellen auf der Nordhalbkugel hin.

Rossby Waves sind riesige Kurven bei Höhenwinden, die das Wetter stark beeinflussen. Gehen sie in einen quasistationären Zustand über, wird der Wechsel von Zyklonen und Antizyklonen ausgesetzt. In der Folge regnet es mancherorts wochenlang bis hin zu Überschwemmungen, während an anderen eine abnorme Hitze einsetzt, wie in diesem Jahr in der Arktis.

Hitzewellen und Dürren, die Mittel- und Nordamerika, Mittel- und Osteuropa, das Kaspische Meer und Ostasien im Sommer mehrmals und ein bis zwei Wochen lang heimsuchen, richten schwere Schäden in der Landwirtschaft an. Hier sind die Ernten seit mehreren Jahren in Folge rückläufig, was die soziale Situation erschwert.

So klingt die „Musik“der Erde immer öfter nicht wie eine sanfte Melodie, sondern wie eine alarmierende Alarmglocke.