Физики выяснили, как планетарные волны влияют на динамику атмосферы
Физики Санкт-Петербургского университета изучили планетарные волны и обнаружили, что они способны формировать возмущения в стратосфере, которые могут вызвать экстремальные потепления и похолодания в Арктике и в умеренных широтах. Математическое моделирование глобальной атмосферной циркуляции проведено сотрудниками лаборатории исследований озонового слоя и верхней атмосферы СПбГУ, созданной в рамках программы мегагрантов Минобрнауки России. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Atmospheric Chemistry and Physics (ACP).
Планетарные волны — это глобальные колебания атмосферных параметров (давление, плотность, температура, скорость ветра), охватывающие всю толщу атмосферы. Это явление чем-то похоже на приливы, когда уровень воды в океане в течение суток колеблется, причем разница может достигать нескольких метров.
Подобные «приливы» есть в атмосфере, однако они человеку не видны и могут происходить не только с периодом в одни сутки, но и с более длительными — до 30 дней.
Планетарные волны образуются в нижней атмосфере и распространяются до самых верхних ее слоев, а амплитуда колебаний растет с высотой из-за уменьшения плотности атмосферы.
В верхних слоях волны представляют собой доминирующую форму движения, определяющую перенос энергии и импульса между различными слоями атмосферы. Также это основная движущая сила атмосферной меридиональной циркуляции (переноса воздушных масс между экватором и полюсами), которая, в силу своего глобального характера, считается основным механизмом, влияющим на состав атмосферы за счет переноса аэрозоля и газов.
По словам физиков Санкт-Петербургского университета, изменение меридиональной циркуляции влияет на поведение озонового слоя, состояние которого в последнее время привлекает повышенное внимание ученых в связи с изменениями его глобального содержания.
Так, озоновый слой выступает своего рода «защитником» жизни на Земле от губительного воздействия жесткой части ультрафиолетового излучения Солнца, а также в целом влияет на климат и биосферу.
Ученые СПбГУ исследовали влияние на глобальную циркуляцию атмосферы ряда планетарных волн с периодами от 3 до 16 суток. Отдельно физики изучили вклад планетарной волны с периодом в 16 суток, которая регулярно наблюдается в атмосфере, особенно усиливаясь в зимний период в северном полушарии.
Такие волны исследовали ранее с помощью данных, получаемых со спутников и радаров, однако ранее никто не оценивал вклад 16-дневной волны в изменение скорости ветра и температуры на планете.
«Для такой работы нужно провести ряд численных экспериментов и смоделировать атмосферную циркуляцию. Мы провели такие эксперименты и показали, что воздействие только одной 16-дневной волны в среднем за месяц может изменять скорость атмосферных течений (ветров) до 5 %. Казалось бы, процент совсем небольшой, однако речь идет о глобальном, постоянно действующем процессе, что оказывает существенное влияние на климатические условия, в том числе на температуру», — рассказал доцент кафедры физики атмосферы СПбГУ доктор физико-математических наук Андрей Коваль.
Как отметил исследователь, детальное изучение планетарных волн важно не только для общего понимания атмосферных взаимодействий, но также имеет большое значение с практической точки зрения.
Например, совокупный вклад нескольких планетарных волн может при определенных условиях производить такие мощные возмущения ветра и температуры в стратосфере, что их «отголоски» распространяются вниз до поверхности, приводя к периодам экстремальных похолоданий или потеплений в Арктическом регионе и умеренных северных широтах. Такие события еще называют волнами холода и тепла, и подобные фундаментальные исследования позволяют лучше прогнозировать такие изменения, что значительно снижает возможный ущерб от последствий таких волн.
Ученые лаборатории исследований озонового слоя и верхней атмосферы СПбГУ разработали онлайн-курс «Космическая погода: оценка воздействия на окружающую среду», который позволяет узнать больше о Солнце и солнечной активности, атмосфере Земли и основных процессах, происходящих в ней, а также о воздействии энергичных частиц и электромагнитного излучения на атмосферу Земли и озоновый слой.
Ранее сотрудники лаборатории исследований озонового слоя и верхней атмосферы СПбГУ выяснили, что во время геомагнитных бурь в течение суток может разрушаться до четверти озонового слоя Земли в полярной мезосфере, на высоте около 75 километров.