Профессор Тиффани Шоу, профессор кафедры наук о Земле Чикагского университета
Южное полушарие — очень неспокойное место.Ветры на разных широтах описывались 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 Proceedings of the National Academy of Sciences, я и мои коллеги выяснили, почему штормы чаще случаются в южном полушарии, чем в северном.
Сочетая несколько линий данных наблюдений, теории и климатических моделей, наши результаты указывают на фундаментальную роль глобальных океанических «конвейерных лент» и больших гор в северном полушарии.
Мы также показываем, что со временем бури в южном полушарии стали более интенсивными, а в северном — нет.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 последствиям, таким как экстремальные ветры, температуры и осадки.
Долгое время большинство наблюдений за погодой на Земле производилось с суши.Это дало ученым четкое представление о шторме в северном полушарии.Однако в Южном полушарии, которое покрывает около 20 процентов суши, мы не получали четкой картины штормов до тех пор, пока в конце 1970-х годов не стали доступны спутниковые наблюдения.
Из десятилетий наблюдений с начала спутниковой эры мы знаем, что бури в южном полушарии примерно на 24 процента сильнее, чем в северном полушарии.
Это показано на карте ниже, на которой показана наблюдаемая среднегодовая интенсивность шторма для Южного полушария (вверху), Северного полушария (в центре) и разница между ними (внизу) с 1980 по 2018 год. (Обратите внимание, что Южный полюс находится на вверху сравнения между первой и последней картами.)
На карте показана устойчиво высокая интенсивность штормов в Южном океане в Южном полушарии и их концентрация в Тихом и Атлантическом океанах (заштрихованы оранжевым цветом) 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, никто не предлагает окончательного объяснения разницы в штормах между двумя полушариями.
Выяснение причин представляется 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, чтобы понять атмосферу и климат Земли.
Самый известный пример такого подхода — новаторская работа доктора Шуро Манабэ, получившего Нобелевскую премию по физике 2021 года «за надежное предсказание глобального потепления».Его прогнозы основаны на физических моделях климата Земли, начиная от простейших одномерных моделей температуры и заканчивая полноценными трехмерными моделями.Он изучает реакцию климата на повышение уровня углекислого газа в атмосфере с помощью моделей различной физической сложности и отслеживает возникающие сигналы от основных физических явлений.
Чтобы лучше понять штормы в Южном полушарии, мы собрали несколько линий доказательств, в том числе данные моделей климата, основанных на физике.На первом этапе мы изучаем наблюдения с точки зрения того, как энергия распределяется по Земле.
Поскольку Земля представляет собой шар, ее поверхность неравномерно получает солнечное излучение от Солнца.Большая часть энергии поступает и поглощается на экваторе, где солнечные лучи более непосредственно падают на поверхность.Напротив, полюса, на которые свет падает под крутыми углами, получают меньше энергии.
Десятилетия исследований показали, что сила шторма зависит от этой разницы в энергии.По существу, они преобразуют «статическую» энергию, запасенную в этой разнице, в «кинетическую» энергию движения.Этот переход происходит посредством процесса, известного как «бароклинная нестабильность».
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 шторма между югом и севером может быть связана с двумя разными факторами.
Во-первых, транспортировка энергии океана, которую часто называют «конвейерной лентой».Вода опускается около Северного полюса, течет по дну океана, поднимается вокруг Антарктиды и течет обратно на север вдоль экватора, неся 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.
Второй фактор — большие горы в северном полушарии, которые, как предполагалось в более ранней работе Манабе, гасят бури.Воздушные потоки над большими горными хребтами создают фиксированные максимумы и минимумы, которые уменьшают количество энергии, доступной для штормов.
Однако сам по себе анализ данных наблюдений не может подтвердить эти причины, поскольку слишком много факторов действуют и взаимодействуют одновременно.Кроме того, мы не можем исключить отдельные причины, чтобы проверить их значимость.
Для этого нам нужно использовать климатические модели, чтобы изучить, как меняются штормы при удалении различных факторов.
Когда мы сгладили земные горы в симуляции, разница в интенсивности шторма между полушариями уменьшилась вдвое.Когда мы убрали конвейерную ленту океана, вторая половина штормовой разницы исчезла.Таким образом, мы впервые раскрываем конкретное объяснение бурь 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 отобранные обзоры всех основных статей и документов из Carbon Brief.Узнайте больше о нашем информационном бюллетене здесь.
Получайте по электронной почте тщательно отобранные обзоры всех основных статей и документов из Carbon Brief.Узнайте больше о нашем информационном бюллетене здесь.
Ключевым инструментом в подготовке общества 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 века.
Напротив, изменения среднегодовой интенсивности штормов в Северном полушарии прогнозируются умеренными.Отчасти это связано с конкурирующими сезонными эффектами между потеплением в тропиках, которое делает штормы сильнее, и быстрым потеплением в Арктике, которое делает их слабее.
Однако климат здесь и сейчас меняется.Когда мы смотрим на изменения за последние несколько десятилетий, мы обнаруживаем, что средние штормы в течение года стали более интенсивными 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 занижают сигнал, они указывают на изменения, происходящие по тем же физическим причинам.То есть изменения в океане усиливают штормы, потому что 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 получить правильный ответ высоки.Для будущей работы будет важно определить, почему модели недооценивают наблюдаемый сигнал, но не менее важно будет получить правильный ответ по правильным физическим причинам.
Сяо, Т. и др.(2022) Штормы в Южном полушарии из-за формы рельефа и циркуляции океана, Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, doi: 10.1073/pnas.2123512119
Получайте по электронной почте тщательно отобранные обзоры всех основных статей и документов из Carbon Brief.Узнайте больше о нашем информационном бюллетене здесь.
Получайте по электронной почте тщательно отобранные обзоры всех основных статей и документов из Carbon Brief.Узнайте больше о нашем информационном бюллетене здесь.
Публикуется по лицензии CC.Вы можете полностью воспроизводить неадаптированный материал для некоммерческого использования со ссылкой на Carbon Brief и ссылкой на статью.Пожалуйста, свяжитесь с нами для коммерческого использования.