Профессор Тиффани Шоу, профессор факультета героссии, Чикагский университет
Южное полушарие - очень бурное место. Ветры в различных широтах были описаны как «рев 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 соответствовать сильным штормам, ветрам и волнам в южном полушарии. Почему?
В новом исследовании, опубликованном в процессах Национальной академии наук, мои коллеги и я раскрываем, почему штормы чаще встречаются в южном полушарии, чем на севере.
Сочетая несколько линий доказательств от наблюдений, теории и климатических моделей, наши результаты указывают на фундаментальную роль глобальных океанических «конвейерных лент» и крупных гор в северном полушарии.
Мы также показываем, что со временем штормы в южном полушарии стали более интенсивными, в то время как в северном полушарии этого не было. Это согласуется с моделированием климатической модели глобального потепления.
Эти изменения имеют значение, потому что мы знаем, что более сильные штормы могут привести к более серьезным воздействиям, таким как экстремальные ветры, температура и количество осадков.
В течение долгого времени большинство наблюдений о погоде на земле были сделаны из земли. Это дало ученым четкую картину шторма в северном полушарии. Однако в южном полушарии, которое охватывает около 20 процентов земли, мы не получили четкой картины штормов, пока спутниковые наблюдения не стали доступны в конце 1970 -х годов.
Из десятилетий наблюдения с начала эпохи спутников мы знаем, что штормы в южном полушарии примерно на 24 процента сильнее, чем в северном полушарии.
Это показано на карте ниже, которая показывает наблюдаемую среднегодовую интенсивность шторма для южного полушария (вверху), северного полушария (в центре) и разницы между ними (внизу) с 1980 по 2018 год. (Обратите внимание, что южный полюс находится на вершине сравнения между первым и последним картами.).
Карта показывает постоянную высокую интенсивность штормов в южном океане в южном полушарии и их концентрация в Тихом океане и в атлантических океанах (затененных в апельсине) в северном полушарии. Разница показывает, что штормы сильнее в южном полушарии, чем в северном полушарии (оранжевое затенение) в большинстве широт.
Хотя существует много разных теорий, никто не предлагает окончательное объяснение разницы в штормах между двумя полушариями.
Выяснить причины, кажется, сложная задача. Как понять такую ​​сложную систему, охватывающую тысячи километров, как атмосфера? Мы не можем положить Землю в банку и изучить ее. Тем не менее, это именно то, что делают ученые, которые изучают физику климата. Мы применяем законы физики и используем их для понимания атмосферы и климата Земли.
Самым известным примером этого подхода является новаторская работа доктора Шуро Манабе, получившего Нобелевскую премию 2021 года по физике «за его надежное прогноз глобального потепления». Его прогнозы основаны на физических моделях климата Земли, от самых простых одномерных температурных моделей до полноценных трехмерных моделей. Он изучает реакцию климата на повышение уровня углекислого газа в атмосфере посредством моделей различной физической сложности и мониторов появляющихся сигналов от основных физических явлений.
Чтобы понять больше штормов в южном полушарии, мы собрали несколько доказательств, включая данные климатических моделей, основанных на физике. На первом этапе мы изучаем наблюдения с точки зрения того, как энергия распределяется по земле.
Поскольку Земля является сферой, ее поверхность получает солнечное излучение от солнца. Большая часть энергии получена и поглощается в экваторе, где солнечные лучи попадают в поверхность более напрямую. Напротив, поляки, которые светится под крутыми углами, получают меньше энергии.
Десятилетия исследований показали, что сила шторма исходит от этой разницы в энергии. По сути, они преобразуют «статическую» энергию, хранящуюся в этой разнице в «кинетическую» энергию движения. Этот переход происходит через процесс, известный как «бароклинная нестабильность».
Эта точка зрения предполагает, что инцидентный солнечный свет не может объяснить большее количество штормов в южном полушарии, поскольку оба полушария получают одинаковое количество солнечного света. Вместо этого наш наблюдательный анализ показывает, что разница в интенсивности шторма между югом и севером может быть связана с двумя различными факторами.
Во -первых, транспорт энергии океана, часто называемый «конвейерной лентой». Водяная раковина возле северного полюса течет вдоль пола океана, поднимается вокруг Антарктиды и течет обратно на север вдоль экватора, неся с собой энергию. Конечным результатом является перенос энергии от Антарктиды на Северный полюс. Это создает больший энергетический контраст между экватором и полюсами в южном полушарии, чем в северном полушарии, что приводит к более тяжелым штормам в южном полушарии.
Вторым фактором являются крупные горы в северном полушарии, которые, как предполагала более ранняя работа Манабе, ослабляет штормы. Воздушные течения над большими горными хребтами создают фиксированные максимумы и минимумы, которые уменьшают количество энергии, доступной для штормов.
Тем не менее, анализ наблюдаемых только не может подтвердить эти причины, потому что слишком много факторов работают и взаимодействуют одновременно. Кроме того, мы не можем исключить отдельные причины, чтобы проверить их значение.
Для этого нам нужно использовать климатические модели, чтобы изучить, как меняются штормы, когда различные факторы удаляются.
Когда мы разглаживали горы Земли в симуляции, разница в интенсивности шторма между полушариями была вдвое. Когда мы удалили конвейерную ленту океана, другая половина разницы в шторме исчезла. Таким образом, впервые мы обнаруживаем конкретное объяснение штормов в южном полушарии.
Поскольку штормы связаны с серьезными социальными воздействиями, такими как экстремальные ветры, температура и осадки, важный вопрос, на который мы должны ответить, заключается в том, будут ли будущие штормы сильнее или слабее.
Получите кураторские резюме всех ключевых статей и документов от Carbon Brief по электронной почте. Узнайте больше о нашей бюллетене здесь.
Получите кураторские резюме всех ключевых статей и документов от Carbon Brief по электронной почте. Узнайте больше о нашей бюллетене здесь.
Ключевым инструментом в подготовке обществ, чтобы справиться с последствиями изменения климата, является обеспечение прогнозов, основанных на климатических моделях. Новое исследование предполагает, что средние штормы южного полушария станут более интенсивными к концу века.
Напротив, прогнозируется, что изменения в среднегодовой интенсивности штормов в северном полушарии будут умеренными. Отчасти это связано с конкурирующими сезонными последствиями между потеплением в тропиках, что делает штормы сильнее и быстрое потепление в Арктике, что делает их слабее.
Однако климат здесь и сейчас меняется. Когда мы смотрим на изменения в течение последних нескольких десятилетий, мы обнаруживаем, что средние штормы стали более интенсивными в течение года в южном полушарии, в то время как изменения в северном полушарии были незначительными, что согласуется с прогнозами климатической модели за тот же период.
Хотя модели недооценивают сигнал, они указывают на изменения, происходящие по тем же физическим причинам. То есть изменения в штормах в океане, потому что более теплая вода движется к экватору, а более холодная вода поднимается 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, заставляя Арктику поглощать больше солнечного света и ослаблять контраст между экватором и полюсами.
Ставки получения правильного ответа высоки. Для будущей работы будет важно определить, почему модели недооценивают наблюдаемый сигнал, но будет одинаково важно получить правильный ответ по правильным физическим причинам.
Xiao, T. et al. (2022) Штормы в южном полушарии из -за рельефа и циркуляции океана, Материалы Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, DOI: 10.1073/pnas.21235121199
Получите кураторские резюме всех ключевых статей и документов от Carbon Brief по электронной почте. Узнайте больше о нашей бюллетене здесь.
Получите кураторские резюме всех ключевых статей и документов от Carbon Brief по электронной почте. Узнайте больше о нашей бюллетене здесь.
Опубликовано по лицензии CC. Вы можете воспроизводить неадаптированный материал в полном объеме для некоммерческого использования по ссылке на углеродную краткую книгу и ссылку на статью. Пожалуйста, свяжитесь с нами для коммерческого использования.