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 «ревущие шестьдесят градусов». Волны достигают колоссальной высоты 78 футов (24 метра).
Как мы все знаем, ничто в Северном полушарии не сравнится с сильными штормами, ветром и волнами в Южном полушарии. Почему?
В новом исследовании, опубликованном в Трудах Национальной академии наук, мы с коллегами раскрываем, почему в Южном полушарии штормы случаются чаще, чем в Северном.
Объединяя ряд 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 становились интенсивнее, а в Северном — нет. Это согласуется с данными климатической модели, моделирующей глобальное потепление.
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 давало учёным чёткую картину штормов в Северном полушарии. Однако в Южном полушарии, которое занимает около 20% суши, чёткой картины штормов не было до тех пор, пока в конце 1970-х годов не появились спутниковые наблюдения.
Благодаря многолетним наблюдениям с начала эры спутников мы знаем, что штормы в южном полушарии примерно на 24 процента сильнее, чем в северном.
Это показано на карте ниже, где указана 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 (закрашены оранжевым цветом) в Северном полушарии. Карта различий показывает, что на большинстве широт штормы в Южном полушарии сильнее, чем в Северном (закрашены оранжевым цветом).
Хотя существует множество различных теорий, никто не дает однозначного объяснения разницы в штормах между двумя полушариями.
Выяснить причины кажется непростой задачей. Как понять такую ​​сложную систему, охватывающую тысячи километров, как атмосфера? Мы не можем поместить Землю в банку и изучать её. Однако именно этим и занимаются учёные, изучающие физику климата. Мы применяем законы физики и используем их для понимания атмосферы и климата Земли.
Самый известный пример такого подхода — новаторская работа доктора Шуро Манабэ, получившего Нобелевскую премию по физике 2021 года «за надёжное предсказание глобального потепления». Его прогнозы основаны на физических моделях климата Земли, от простейших одномерных моделей температуры до полноценных трёхмерных моделей. В рамках этого подхода изучается реакция климата на повышение уровня углекислого газа в атмосфере с помощью моделей различной физической сложности и отслеживаются сигналы, возникающие в результате базовых физических явлений.
Чтобы лучше понять природу штормов в Южном полушарии, мы собрали несколько групп данных, включая данные физических климатических моделей. На первом этапе мы изучаем наблюдения с точки зрения распределения энергии по Земле.
Поскольку Земля имеет форму шара, её поверхность получает солнечное излучение неравномерно. Большая часть энергии принимается и поглощается на экваторе, где солнечные лучи падают на поверхность более прямо. Напротив, полюса, на которые свет падает под острым углом, получают меньше энергии.
Десятилетия исследований показали, что сила шторма обусловлена ​​этой разницей энергии. По сути, они преобразуют «статическую» энергию, накопленную в этой разнице, в «кинетическую» энергию движения. Этот переход происходит посредством процесса, известного как «бароклинная неустойчивость».
Эта точка зрения предполагает, что падающее солнечное излучение не может объяснить большее количество штормов в Южном полушарии, поскольку оба полушария получают одинаковое количество солнечного света. Вместо этого, согласно нашему анализу наблюдений, разница в интенсивности штормов между югом и севером может быть обусловлена ​​двумя разными факторами.
Во-первых, это транспортировка энергии океана, часто называемая «конвейером». Вода опускается вблизи Северного полюса, течёт по дну океана, поднимается вокруг Антарктиды и возвращается на север вдоль экватора, перенося с собой энергию. Конечным результатом является перенос энергии из Антарктиды на Северный полюс. Это создаёт больший энергетический контраст между экватором и полюсами в Южном полушарии, чем в Северном, что приводит к более сильным штормам в Южном полушарии.
Вторым фактором являются высокие горы в северном полушарии, которые, как предполагалось в более ранней работе Манабе, ослабляют штормы. Воздушные потоки над крупными горными хребтами создают постоянные 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 ходе моделирования, разница в интенсивности штормов между полушариями сократилась вдвое. Когда мы убрали океанский конвейер, разница в интенсивности штормов исчезла ещё наполовину. Таким образом, мы впервые нашли конкретное объяснение возникновения 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 тщательно подобранные краткие обзоры всех ключевых статей и докладов Carbon Brief. Узнайте больше о нашей рассылке здесь.
Получайте по электронной почте тщательно подобранные краткие обзоры всех ключевых статей и докладов Carbon Brief. Узнайте больше о нашей рассылке здесь.
Ключевым инструментом подготовки обществ к преодолению последствий изменения климата является предоставление прогнозов, основанных на климатических моделях. Новое исследование предполагает, что к концу столетия интенсивность штормов в Южном полушарии в среднем увеличится.
Напротив, прогнозируется, что изменения среднегодовой интенсивности штормов в Северном полушарии будут умеренными. Это отчасти обусловлено конкурирующими сезонными эффектами: потеплением в тропиках, которое усиливает штормы, и быстрым потеплением в Арктике, которое их ослабляет.
Однако климат здесь и сейчас меняется. Если взглянуть на изменения за последние несколько десятилетий, то можно заметить, что в Южном полушарии средние значения штормов в течение года увеличились, тогда как в Северном полушарии изменения были незначительными, что соответствует прогнозам климатических моделей за тот же период.
Хотя модели и недооценивают сигнал, они указывают на изменения, происходящие по тем же физическим причинам. То есть, изменения в океане усиливают штормы, поскольку более тёплая вода движется к экватору, а на её место выходит более холодная вода вокруг Антарктиды, 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 на получение правильного ответа высоки. Для будущих исследований важно будет 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, вызванные особенностями рельефа и циркуляцией океана, Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, doi: 10.1073/pnas.2123512119
Получайте по электронной почте тщательно подобранные краткие обзоры всех ключевых статей и докладов Carbon Brief. Узнайте больше о нашей рассылке здесь.
Получайте по электронной почте тщательно подобранные краткие обзоры всех ключевых статей и докладов Carbon Brief. Узнайте больше о нашей рассылке здесь.
Опубликовано по лицензии CC. Вы можете воспроизводить неадаптированный материал в полном объёме для некоммерческого использования, указав ссылку на Carbon Brief и ссылку на статью. По вопросам коммерческого использования, пожалуйста, свяжитесь с нами.