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