Карл-Густав Арвид Россби был шведским метеорологом, оставившим после себя большое наследие. Россби провел Вторую мировую войну, обучая ученых для вооруженных сил США, и предупредил об изменении климата. Хотя он умер в 1957 году, имя этого человека живет в феномене, который он открыл в бурные 1930-е годы: волны Россби.
Также называемые «планетарными волнами», они оказывают огромное влияние на нашу атмосферу и океаны. Как пишут Джеймс Р. Холтон и Грегори Дж. Хаким в своей книге «Введение в динамическую метеорологию», волны Россби - это «[] тип волн, который имеет наибольшее значение для крупномасштабных метеорологических процессов».
Они влияют на все, от приливов до экстремальных погодных условий. И это именно то, что происходит на Земле. Не будем игнорировать солнце, которое испытывает собственные волны Россби. Так же как и атмосферы Венеры и Юпитера.
Но что определяет эти вещи? Что делает волну Россби волной Россби?
Наука о жидкости
Волны Россби могут возникать в жидкостях.
Мы говорим здесь не только о жидкостях. Любое текучее вещество, которое постоянно деформируется под действием напряжений (например, трения), действующих на его поверхность в параллельном направлении, считается жидкостью. По этой метрике сам воздух является жидкостью, как и наши влажные и чудесные океаны.
Настоящая волна Россби должна соответствовать определенным критериям. Во-первых, эти волны возникают только внутри баротропных жидкостей - категории жидкостей, плотность которых зависит только от давления. Кроме того, волны Россби являются естественными побочными продуктами эффекта Кориолиса.
Что-то новое
Пришло время отказаться от ответственности. Люди давно обвиняют эффект Кориолиса во вмешательстве в австралийские туалеты. Это неверно. Вопреки тому, что гласят городские легенды, эффект Кориолиса имеет мало общего с тем, как вода закручивается в только что смытом унитазе.
То, что он на самом деле делает, связано с тем, как некоторые объекты кажутся движущимися, когда они путешествуют по вращающемуся телу, такому как Земля или Солнце.
Наш родной мир вращается на восток вокруг своей оси, невидимой линии, прорезающей планету и соединяющей Северный и Южный полюса. Кроме того, Земля вокруг экватора намного толще, чем на любом из полюсов. Таким образом, по необходимости, когда планета вращается, ее экваториальные области вращаются с большей скоростью, чем более высокие широты.
Каждый раз, когда вы стоите на экваторе, вас и землю под вашими ногами закручивает на восток со скоростью почти 1030 миль в час (1670 километров в час). Но когда вы стоите в арктическом городе Уткиагвик на Аляске, на широте 71 градус над экватором, ваша скорость вращения на восток уменьшится до 340 миль в час (или 550 километров в час).
Эта разница объясняет, почему воздушные объекты, движущиеся в направлении север-юг, кажутся отклоняющимися от курса, а не движущимися по прямой линии.
«Волны Россби существуют из-за эффекта Кориолиса», - говорит в электронном письме Маусуми Дикпати, старший научный сотрудник, специалист по моделированию и физик-теоретик из Высокогорной обсерватории (HAO) в Колорадо. «Нет вращения, нет волн Россби».
Море и Небо
На Земле волны Россби возникают как в нашей атмосфере, так и в наших океанах. Ученые знают об атмосферных волнах Россби с 1939 года, а океанические волны Россби впервые наблюдались еще в 1977 году.
У них много общего. Дикпати говорит нам, что они оба вызваны «действием сил Кориолиса».
Еще один фактор - солнце. Вместо того, чтобы равномерно нагревать нашу планету, солнечный свет нагревает экватор быстрее, чем умеренные зоны и полюса. Следовательно, Земля имеет естественный температурный градиент в зависимости от широты.
Тогда у нас есть ветры, сила и направление которых могут сильно зависеть от их высоты.
" Атмосферные волны Россби возбуждаются нестабильностью широтного температурного градиента и вертикального градиента ветра, тогда как океанические волны Россби могут возбуждаться как этим, так и воздействием ветра на поверхность океана", - объясняет Дикпати.
Когда эти волны возникают в океане, они обычно меньше по масштабу, чем волны Россби в нашей атмосфере. Более того, Дикпати говорит, что океанические волны Россби «ограничены океаническими бассейнами, в то время как атмосферные волны распространяются вокруг Земли».
Приливы
Вы не можете наблюдать морские волны Россби невооруженным глазом, когда вы стоите на поверхности планеты. Но, к счастью для ученых, искусственные спутники могут следить за их продвижением.
Назвать волны "медленными" было бы преуменьшением. По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA), в низких широтах им может «потребоваться от нескольких месяцев до года, чтобы пересечь [Тихий] океан».
Далее от экватора тихоокеанские волны Россби могут двигаться еще более неторопливо, иногда требуется десятилетие или больше, чтобы пересечь самый большой океан в мире.
Несмотря на свою медлительность, волны Россби не являются чем-то, что прибрежные жители не должны игнорировать. Они могут сделать приливы выше, чем обычно. Неудивительно, что волны также связаны с сильными наводнениями.
Может быть затронута вся береговая линия; приходящие волны Россби могут поднять уровень воды на сотни миль (или несколько сотен километров) прибрежной территории на несколько месяцев, нанеся ущерб местной инфраструктуре.
Исследование, проведенное в 2018 году, показало, что волны Россби могут привести к повышению уровня прибрежного моря более чем на 3,9 дюйма (10 сантиметров), что не так уж и важно, особенно в мире, где почти 40 процентов населения живет в пределах 60 миль (или около 100 километров) океана.
Теперь трансляция
Реактивные потоки - еще одна игровая площадка для волн Россби.
Формирующиеся на сходящихся границах теплых и холодных воздушных масс, струйные течения представляют собой быстро движущиеся течения. Они путешествуют через нашу атмосферу примерно на высоте от 5 до 9 миль (от 8 до 14,4 км) над поверхностью планеты, путешествуя со средней скоростью 110 миль в час (или 177 километров в час).
На Земле есть четыре основных струйных течения - два в полярных регионах и набор «субтропических» потоков, расположенных по обе стороны от экватора. Все четыре путешествуют с запада на восток.
«Волны в [струйном течении], как мы видим их на картах погоды, тесно связаны с волнами Россби», - говорит Дикпати. «Они взаимодействуют со средними ветрами с востока на запад, создавая волнообразные узоры, которые мы видим, а также [крупномасштабные] изменения погоды, которые мы ощущаем. Это взаимодействие лежит в основе современных моделей численного прогнозирования погоды».
Ученые зафиксировали «волны экстремальной жары» в Европе в 2003, 2010 и 2015 годах. Каждое из этих явлений было связано с серией волн Россби, которые извивались в субтропическом струйном течении Северного полушария.
Извилистые волны могут остановить погодные системы с высоким или низким давлением, ограничивая их движение в течение длительного времени. При неправильных обстоятельствах это может спровоцировать стихийные бедствия, такие как наводнения и засухи. Еще в 2018 году волновая активность Россби была причастна как к внезапным наводнениям в Японии, так и к волнам тепла в Северной Америке.
Такие события могут иметь глобальные последствия. В исследовании 2020 года, опубликованном в журнале Nature Climate Change, утверждается, что волны Россби могут представлять серьезную угрозу международной продовольственной безопасности. Нетрудно представить себе периоды жары, вызванные этими волнами, которые снижают урожайность на целых 11 процентов в регионах, которые стали ключевыми для мировых запасов продовольствия. Восхитительно.
Интересно
Помимо прочего, Дикпати изучает формирование и поведение волн Россби на Солнце. «Солнечные волны Россби впервые наблюдались при движении магнитных структур в солнечной короне», - говорит она. Для справки, корона - это расширенная внешняя атмосфера Солнца, яркий слой, который выглядывает на Землю из-за Луны во время полных солнечных затмений. Изучая солнечные волны Россби, ученые надеются лучше понять изменения окружающей среды, известные как «космическая погода», которые влияют на все, от телевизионных передач и электросетей до систем GPS и военных спутников.