Ученые объяснили возникновение «пробок» в высотных струйных течениях
Американские геофизики объяснили периодическое смещение полярных высотных струйных течений в атмосфере Земли в меридиональном направлении, которое приводит к экстремальным погодным явлениям в умеренных широтах. Оказалось, что этот эффект аналогичен пробкам на дороге: для компенсации избыточной интенсивности волновых процессов потоку приходится снижать свою скорость. Это приводит к блокированию течения и вынужденному повороту относительно начального направления, пишут ученые в Science.
В верхних слоях тропосферы Земли, на высоте от 5 до 16 километров, образуются высотные струйные течения — быстрые воздушные потоки, которые двигаются со скоростью до 100 метров в секунду и во многом определяют климат на Земле на глобальном масштабе. Одно из наиболее мощных и важных для климата струйных течений на планете — полярный струйный поток в Северном полушарии, который двигается вокруг Северного полюса с запада на восток. Известно, что иногда нормальный режим течения (в котором возможны небольшие отклонения на юг или на север, связанные с образованием волн Россби) сменяется аномальным меандрированием. В результате этого течение очень сильно смещается, например, на юг, что может стать причиной засух в умеренных широтах, а иногда приводит и к возникновению очень мощных ураганов.
Несмотря на то, что эффект аномального меандрирования высотных струйных течений хорошо известен, точно определить, что именно блокирует движение воздуха на восток в определенной точке потока, до сих пор не удавалось. Чтобы более детально исследовать механизм отклонений воздушных потоков относительно начального направления с запада на восток, геофизики из Чикагского университета Нобору Накамура (Noboru Nakamura) и Клэр Хуанг (Clare S. Y. Huang) проанализировали метеорологические данные, описывающие динамику полярного высотного струйного течения в Северном полушарии с 1979 по 2016 год, и постарались описать ее с помощью математического моделирования.
Для анализа данных ученые использовали модель, которая позволяет описать «степень выраженности волновых явлений» в воздушном потоке, то есть насколько сильно воздух стремится отклониться в меридиональном направлении за счет образования волн Россби относительно основного направления движения с запада на восток. Для этого в одной из своих предыдущих работ ученые ввели специальную величину, с помощью которой можно выразить локальную активность волновых процессов в течении количественно, а сейчас — выяснили, что у воздушного потока существует для нее предельное значение, при котором из режима нормального движения (с небольшими отклонениями в меридиональном направлении) течение переходит в «заблокированное» состояние.
Оказалось, что между скоростью течения, интенсивностью волновых явлений и возникновением аномальных петель в потоке существует выраженная корреляция, которая может быть описана простой математической моделью с единственным положением равновесия. Эффект блокирования потока, который согласно модели возникает при слишком сильном увеличении интенсивности волновых процессов, ученые сравнивают с возникновением пробки на дороге при превышении порогового значения для количества автомобилей. В случае воздушного потока слишком высокой может оказаться волновая активность, и для компенсации этого эффекта потоку приходится резко замедляться, что и приводит к его блокированию и вынужденному повороту на юг или на север.
С помощью предложенной модели ученым также удалось описать цикличность этого явления и регулярное появление меридиональных петель в струйных течениях. Геофизики отмечают, что в естественных условиях к увеличению интенсивности волн Россби в воздушных потоках (и, соответственно, блокированию течения) могут приводить климатические изменения — рост температуры или концентрации газов в атмосфере.
По словам авторов работы, в данном исследовании была рассмотрена лишь простая одномерная модель развития «пробок» в воздушных потоках, которая позволяет четко определить природу эффекта блокирования потока, но не совсем точна при его количественном описании. Для более детального исследования в будущих работах ученые планируют рассмотреть также двумерные и трехмерные модели.
Возникновение струйных течений с большой скоростью характерно не только для Земли: такие потоки могут возникать и в атмосферах других планет. Например, подобные воздушные потоки могут заметно осложнить поиск жизни на экзопланетах, потому что их движение может скрывать от телескопов присутствие биомаркеров. Совсем недавно астрономы показали, что на газовых гигантах (например на Юпитере) струйные течения имеют более сложную трехмерную структуру, возникают под верхним слоем облаков и могут уходить вглубь планеты на несколько тысяч километров.
Александр Дубов
Также по соотношению изотопов в панцирях можно отследить производство и переработку ядерного топлива
Панцири черепах хранят информацию о ядерных испытаниях и работах с ядерным топливом. К такому выводу пришли ученые, проанализировав соотношение 235U/238U и 236U/238U в кератине из щитков панциря зеленой черепахи с тихоокеанского атолла и двух сухопутных и двух пресноводных черепах из США. Оказалось, что у тех черепах, что жили рядом с местами испытания ядерного оружия, соотношение 235U/238U повышено, а у тех, что обитали недалеко от заводов по производству ядерного топлива, наоборот, понижено. При этом соотношение 236U/238U было повышено в обоих этих случаях. Как отмечается в статье для журнала PNAS Nexus, открытие поможет исследователям реконструировать историю загрязнения экосистем радиоактивными веществами. В 1940-1990 годах во многих регионах мира проводились испытания ядерного оружия (сейчас эту практику продолжает только КНДР). Как правило, их устраивали в отдаленной и малонаселенной местности. Например, советские военные обычно использовали для ядерных тестов полигоны в степях и арктической тундре, а их американские и французские коллеги предпочитали пустыни или тихоокеанские атоллы. Однако даже при таких условиях испытания ядерного оружия оказали серьезное негативное воздействие на людей и окружающую среду. Его масштаб до сих пор остается предметом исследований. Команда специалистов под руководством Сайлера Конрада (Cyler Conrad) из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории решила поискать свидетельства ядерных испытаний прошлого в телах черепах. Дело в том, что ареалы некоторых их видов пересекаются с местами проведения ядерных тестов. Таким образом, черепахи вполне могли оказаться в зоне радиоактивного загрязнения и накопить в тканях радиоактивные изотопы. Ранее ученые уже находили в костях этих рептилий значительные концентрации изотопов 137Cs и 90Sr, которые попадают в окружающую среду во время ядерных взрывов и аварий на атомных электростанциях. А Конрад с соавторами сосредоточили внимание на изотопных сигнатурах урана в роговых щитках черепашьих панцирей. Исследователи нашли в музейных коллекциях пять черепашьих щитков, которые были добыты в разных районах ядерных испытаний, а также в местах добычи урана и работ с ядерным топливом. Первым из них стал щиток зеленой черепахи (Chelonia mydas), который был найден в желудке тигровой акулы (Galeocerdo cuvier), пойманной у тихоокеанского атолла Эниветок в 1978 году. На момент гибели от зубов акулы этой особи было 10-20 лет, а ядерные испытания в данном районе закончились в 1958 году, так что, скорее всего, непосредственно она их не застала. Второй щиток принадлежал пустынному западному гоферу (Gopherus agassizii). Он был собран в 1959 на юго-западе Юты, примерно в 240 километрах от бывшего Невадского испытательного полигона, где в 1951-1962 годах тестировали ядерное оружие. Третий щиток, который авторы взяли для исследования, был собран у сонорского гофера (G. morafkai) в 1999 году на юго-западе Аризоны. В этой местности ядерные испытания не проводились, так что данный образец использовался в качестве контроля. Четвертый щиток принадлежал иероглифовой чепепахе (Pseudemys concinna). Его добыли в 1985 году на ядерном могильнике «Саванна-ривер» в Южной Каролине, где с 1950 до конца 1980 годов добывали уран, а также изготавливали и перерабатывали ядерное топливо. Наконец, пятый щиток был взят в 1962 году у восточной коробчатой черепахи (Terrapene carolina carolina) в резервации Ок-Ридж в штате Теннесси. В этом месте с 1940 года добывали уран и изготавливали ядерное топливо. Из всех пяти щитков Конрад с соавторами взяли небольшое количество кератина и оценили соотношение содержащихся в нем изотопов урана 235U/238U и 236U/238U. Лишь в щитке сонорского гофера соотношение 235U/238U оказалось неотличимым от естественного. В образцах из Южной Каролины и Теннесси оно было ниже нормы, а в образцах из Юты и с атолла Эниветок — выше нормы. У сонорского гофера не было выявлено следов изотопа 236U, что соответствует естественному состоянию (поскольку природных источников этого изотопа не существует). Зато у черепах из Южной Каролины, Теннесси и с атолла Эниветок было выявлено значительное количество изотопа 236U, так что соотношение 236U/238U значительно превышало норму. У образца из Юты соотношение 236U/238U было немного выше нормы. По мнению авторов, зеленая черепаха с атолла Эниветок подверглась радиоактивному загрязнению за год до гибели, когда на острове проводились работы по строительству саркофага. Вероятно, во время работ 235U и 236U попали в воду и песок, а оттуда — в тело рептилии, например, с водорослями, которые она поедала. Пустынный западный гофер из Юты жил достаточно далеко от места испытаний, однако, вероятно, попал под радиоактивные осадки. А сонорскому гоферу из Аризоны и вовсе удалось избежать столкновения последствиями ядерных испытаний. Что касается черепах из Южной Каролины и Теннесси, то они подверглись воздействию обедненного урана, который оказался в окружающей среде при производстве ядерного топлива. Интересно, что на щитке восточной коробчатой черепахи из Теннесси сохранилось семь слоев, соответствующих семи годам ее жизни, с 1955 по 1962 годы. Минимальное соотношение 235U/238U было выявлено в слое, который сформировался, пока рептилия еще накопилась в яйце. Таким образом, она, вероятно, получила радиоактивные изотопы от матери. Результаты исследования подтверждают, что черепахи способны накапливать антропогенные радиоактивные изотопы из окружающей среды в своих панцирях. При этом оценить соотношение разных изотопов урана можно даже по очень скромному количеству кератина. Авторы надеются. что данные, полученные из черепашьих панцирей, позволят точнее реконструировать историю загрязнения экосистем радиоактивными отходами. Из-за ядерных испытаний концентрация углерода-14 в атмосфере и тканях живых организмов в середине прошлого века резко выросла, а затем постепенно снижалась. Оценивая долю этого изотопа в контрабандных бивнях слонов, можно понять, когда они были убиты. Применив этот подход к партии слоновой кости, изъятой в Уганде в 2019 году, исследователи выяснили, что она была добыта в 1980 годах. С тех пор она хранилась в государственном хранилище Бурунди, откуда ее затем украли.