Профессор Тиффани Шоу, профессор кафедры наук о Земле Чикагского университета
Южное полушарие — очень неспокойное место. Ветры на разных широтах описываются как «ревущие сорок градусов», «яростные пятьдесят градусов» и «кричащие шестьдесят градусов». Волны достигают колоссальных 78 футов (24 метра).
Как мы все знаем, ничто в северном полушарии не может сравниться с сильными штормами, ветром и волнами в южном полушарии. Почему?
В новом исследовании, опубликованном в Трудах Национальной академии наук, мы с коллегами раскрываем, почему штормы чаще случаются в южном полушарии, чем в северном.
Объединив несколько линий доказательств из наблюдений, теории и климатических моделей, наши результаты указывают на фундаментальную роль глобальных океанических «конвейеров» и крупных гор в северном полушарии.
Мы также показываем, что со временем штормы в южном полушарии стали более интенсивными, а в северном — нет. Это согласуется с моделированием климатической модели глобального потепления.
Эти изменения важны, поскольку мы знаем, что более сильные штормы могут привести к более серьезным последствиям, таким как экстремальные ветры, температуры и осадки.
Долгое время большинство наблюдений за погодой на Земле велось с суши. Это дало ученым ясную картину штормов в северном полушарии. Однако в южном полушарии, которое охватывает около 20 процентов суши, мы не получали ясной картины штормов, пока в конце 1970-х годов не стали доступны спутниковые наблюдения.
Благодаря десятилетиям наблюдений с начала эры спутников мы знаем, что штормы в южном полушарии примерно на 24 процента сильнее, чем в северном.
Это показано на карте ниже, на которой показана наблюдаемая средняя годовая интенсивность штормов для Южного полушария (вверху), Северного полушария (в центре) и разница между ними (внизу) с 1980 по 2018 год. (Обратите внимание, что Южный полюс находится в верхней части сравнения первой и последней карт.)
Карта показывает устойчиво высокую интенсивность штормов в Южном океане в Южном полушарии и их концентрацию в Тихом и Атлантическом океанах (заштриховано оранжевым) в Северном полушарии. Карта различий показывает, что штормы сильнее в Южном полушарии, чем в Северном полушарии (оранжевая заливка) на большинстве широт.
Хотя существует множество различных теорий, ни одна из них не дает однозначного объяснения разницы в частоте штормов между двумя полушариями.
Выяснение причин кажется сложной задачей. Как понять такую ​​сложную систему, охватывающую тысячи километров, как атмосфера? Мы не можем поместить Землю в банку и изучать ее. Однако именно этим и занимаются ученые, изучающие физику климата. Мы применяем законы физики и используем их для понимания атмосферы и климата Земли.
Самым известным примером такого подхода является новаторская работа доктора Шуро Манабе, получившего Нобелевскую премию по физике 2021 года «за надежное предсказание глобального потепления». Его прогнозы основаны на физических моделях климата Земли, от простейших одномерных моделей температуры до полноценных трехмерных моделей. Он изучает реакцию климата на повышение уровня углекислого газа в атмосфере с помощью моделей различной физической сложности и отслеживает возникающие сигналы от базовых физических явлений.
Чтобы понять больше штормов в Южном полушарии, мы собрали несколько линий доказательств, включая данные из климатических моделей, основанных на физике. На первом этапе мы изучаем наблюдения с точки зрения того, как энергия распределяется по Земле.
Поскольку Земля имеет форму шара, ее поверхность получает солнечное излучение от Солнца неравномерно. Большая часть энергии принимается и поглощается на экваторе, где солнечные лучи падают на поверхность более прямо. Напротив, полюса, на которые свет падает под крутыми углами, получают меньше энергии.
Десятилетия исследований показали, что сила шторма исходит из этой разницы в энергии. По сути, они преобразуют «статическую» энергию, хранящуюся в этой разнице, в «кинетическую» энергию движения. Этот переход происходит посредством процесса, известного как «бароклинная неустойчивость».
Эта точка зрения предполагает, что падающий солнечный свет не может объяснить большее количество штормов в Южном полушарии, поскольку оба полушария получают одинаковое количество солнечного света. Вместо этого наш наблюдательный анализ предполагает, что разница в интенсивности штормов между югом и севером может быть вызвана двумя разными факторами.
Во-первых, транспортировка энергии океана, часто называемая «конвейером». Вода опускается около Северного полюса, течет по дну океана, поднимается вокруг Антарктиды и течет обратно на север вдоль экватора, перенося с собой энергию. Конечным результатом является передача энергии из Антарктиды на Северный полюс. Это создает больший энергетический контраст между экватором и полюсами в Южном полушарии, чем в Северном полушарии, что приводит к более сильным штормам в Южном полушарии.
Вторым фактором являются большие горы в северном полушарии, которые, как предполагалось в более ранней работе Манабе, ослабляют штормы. Воздушные потоки над большими горными хребтами создают фиксированные максимумы и минимумы, которые уменьшают количество энергии, доступной для штормов.
Однако анализ наблюдаемых данных сам по себе не может подтвердить эти причины, поскольку слишком много факторов действуют и взаимодействуют одновременно. Кроме того, мы не можем исключать отдельные причины, чтобы проверить их значимость.
Для этого нам необходимо использовать климатические модели, чтобы изучить, как изменяются штормы при устранении различных факторов.
Когда мы сгладили горы Земли в симуляции, разница в интенсивности штормов между полушариями сократилась вдвое. Когда мы убрали конвейер океана, другая половина разницы в штормах исчезла. Таким образом, впервые мы обнаруживаем конкретное объяснение штормов в южном полушарии.
Поскольку штормы связаны с серьезными социальными последствиями, такими как экстремальные ветры, температуры и осадки, важный вопрос, на который мы должны ответить, заключается в том, будут ли будущие штормы сильнее или слабее.
Получайте по электронной почте отобранные резюме всех ключевых статей и документов из Carbon Brief. Узнайте больше о нашей рассылке здесь.
Получайте по электронной почте отобранные резюме всех ключевых статей и документов из Carbon Brief. Узнайте больше о нашей рассылке здесь.
Ключевым инструментом в подготовке обществ к преодолению последствий изменения климата является предоставление прогнозов на основе климатических моделей. Новое исследование предполагает, что средние штормы в южном полушарии станут более интенсивными к концу столетия.
Напротив, прогнозируется, что изменения в среднегодовой интенсивности штормов в Северном полушарии будут умеренными. Это отчасти связано с конкурирующими сезонными эффектами между потеплением в тропиках, которое усиливает штормы, и быстрым потеплением в Арктике, которое ослабляет их.
Однако климат здесь и сейчас меняется. Если мы посмотрим на изменения за последние несколько десятилетий, то увидим, что средние штормы стали более интенсивными в течение года в южном полушарии, тогда как изменения в северном полушарии были незначительными, что соответствует прогнозам климатической модели за тот же период.
Хотя модели недооценивают сигнал, они указывают на изменения, происходящие по тем же физическим причинам. То есть, изменения в океане усиливают штормы, поскольку более теплая вода движется к экватору, а более холодная вода выносится на поверхность вокруг Антарктиды, чтобы заменить ее, что приводит к более сильному контрасту между экватором и полюсами.
В Северном полушарии изменения океана компенсируются потерей морского льда и снега, в результате чего Арктика поглощает больше солнечного света и ослабевает контраст между экватором и полюсами.
Ставки получения правильного ответа высоки. Для будущей работы будет важно определить, почему модели недооценивают наблюдаемый сигнал, но не менее важно получить правильный ответ по правильным физическим причинам.
Сяо, Т. и др. (2022) Штормы в Южном полушарии из-за рельефа и циркуляции океана, Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, doi: 10.1073/pnas.2123512119
Получайте по электронной почте отобранные резюме всех ключевых статей и документов из Carbon Brief. Узнайте больше о нашей рассылке здесь.
Получайте по электронной почте отобранные резюме всех ключевых статей и документов из Carbon Brief. Узнайте больше о нашей рассылке здесь.
Опубликовано по лицензии CC. Вы можете воспроизводить неадаптированный материал в полном объеме для некоммерческого использования со ссылкой на Carbon Brief и ссылкой на статью. Пожалуйста, свяжитесь с нами для коммерческого использования.