Polarvirvel:Videnskaben bag kulden

Den polære hvirvel, en hvirvel af lavtryksluft seks miles op i atmosfæren, sprængte meget af det amerikanske Midtvesten og Nordøst i slutningen af ​​januar 2019 med temperaturer, der var kolde nok til at forårsage forfrysninger inden for få minutter.

Til fredag, 1. februar kl. hvirvelen og den arktiske luft, den trak ind i byer fra Fargo til Pittsburgh til Detroit, havde foranlediget dage med skole- og forretningslukninger, tusindvis af flyaflysninger, standsning af postleverancer, og en smule strømafbrydelser og anmodninger om reduceret opvarmning. Mindst 21 mennesker døde og snesevis blev såret i vejrrelaterede hændelser. Embedsmænd advarede beboerne om at blive inde, selvom meteorologer begyndte at forudsige forårslignende vejr og sandsynligheden for et 80-graders temperatursving inden for få dage.

Det hele startede efter den polære hvirvel, der normalt svæver over Nordpolen, delt i to den 2. januar, resultatet af planetariske bølger, der bryder i stratosfæren, sagde Stanford atmosfæriske videnskabsmand Aditi Sheshadri.

"Når polarhvirvelen deler sig i to, jetstrømmen bevæger sig sydover over Atlanterhavsområdet, og det tager alle stormene med sig, "sagde Sheshadri, en assisterende professor i jordsystemvidenskab i Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth). "Vi har ingen idé om under en given begivenhed, hvornår stormene kan ramme, men i gennemsnit ser du virkninger i en måned eller to efter hvirvelen deler sig. "

Sheshadri forklarer videnskaben bag polarvirvelen og dens farlige virkninger på vejret oplevet på jordens overflade, hvordan fænomenet er relateret til kuldioxidemissioner, og hvorfor hvirvelen kan forventes at bringe flere vinterstorme og arktisk luft til dele af USA og Vesteuropa i de kommende år.

Hvad er polarvirvelen?

ADITI SHESHADRI:Polarvirvelen dannes hver vinter på grund af temperaturforskellen mellem ækvator og polerne. I den polære stratosfære, sollys bliver dybest set afbrudt i løbet af det sene efterår og den tidlige vinter - og det gør det virkelig koldt, mens ækvator forbliver ret varm.

Der dannes en stråle for at afbalancere denne temperaturforskel. Denne jet er det, vi kalder polarvirvelen eller den polære natstråle. Det flyder i en komplet cirkel omkring polen, 10 kilometer eller lidt over seks miles over jordens overflade.

Hvad driver opførelsen af ​​polarvirvelen?

AS:Den er stærkest midt på vinteren, når temperaturforskellen er maksimal. Men samtidig, polarvirvelen er dette levende væsen. Det påvirkes af bølger skabt på jordens overflade, som bliver begejstrede over ting som strømning, der bevæger sig over bjerge eller strømmer over land og hav, som varmer op i forskellige omfang. Hvis Jordens overflade var helt flad - hvis du havde en vandplanet med hav hele vejen rundt - så ville polarvirvelen ikke bryde op.

Disse luftstrømme, kendt som Rossby -bølger, forplanter sig opad i stratosfæren, hvor de bryder ligesom bølger bryder på en strand. Du har denne hvirvel, der fredeligt går rundt om stangen. Hver gang en bølge bryder, det giver hvirvelen momentum.

Nogle gange kan en brydebølge være stærk nok til at fortrænge hvirvelen over polen, eller endda vende hvirvelens retning. Når det sker, temperaturen i polarstratosfæren kan stige med 50 grader på en uge. Det er virkelig en ekstrem begivenhed.

Disse bølger kan også forstyrre hvirvelen nok til, at den deler sig i to segmenter, kaldes datterhvirvler.

Hvad sker der, når hvirvelen deler sig?

AS:Det ene segment bevæger sig normalt over Sibirien og det andet bevæger sig over Nordamerika. Når det sker, jetstrømmen i troposfæren over Atlanterhavet bevæger sig mod syd.

Kold arktisk luft, der normalt er korreleret af jetstrømmen omkring polen, kan derefter gå ind på de midterste breddegrader på østkysten, i Midtvesten og over Vesteuropa.

Storme, som kører langs jetstrømmen, flytte sydpå, også. De skifter ikke nødvendigvis med det samme:Det kan tage et par uger for dem at organisere sig til at reagere og indhente jetflyet. Storme, der ville have ramt Canada, kom og ramte New York og Chicago i stedet.

Hvorfor bringer polarhvirvelen ikke lignende vejr til vestkysten?

AS:Vi ved ikke helt, hvorfor polarvirvelen ikke påvirker Stillehavsområdet, men vi har nogle indledende hypoteser. Vi tror, ​​det har noget at gøre med placeringen af ​​jetflyene i de to bassiner. I Atlanterhavsområdet, jetstrømmen er placeret på højere breddegrader. I Stillehavsområdet, det er tættere på ækvator.

Topografi kan også spille en rolle. I Atlanterhavsområdet, luft strømmer over Rockies og bølger kommer ud af de høje bjerge og påvirker jetstrømmen. I Stillehavet, jetstrømmen er længere væk fra alle bjerge, der kan generere forstyrrende bølger.

Hvordan påvirker menneskelige aktiviteter den polare hvirvel?

AS:Forøgelse af kuldioxid i atmosfæren afkøler den polare stratosfære, som kunne øge temperaturforskellen mellem polen og ækvator og styrke polarvirvelen. Der er også nogle modelbeviser for, at de bølger, der formerer sig opad i troposfæren, bliver mere energiske, når planeten varmes op, hvilket fører til en mere forstyrret polar stratosfære.

Selve polarvirvelen er ikke ny, men det ser ud til at påvirke vejret på overfladen hvert år nu på en måde, som det ikke gjorde i nyere hukommelse. Hvad ændrede sig?

AS:Udtrykket "polar vortex" har eksisteret siden slutningen af ​​1940'erne. Den dannes hver vinter og går i stykker om foråret. Men de sidste 20 år eller deromkring, polarvirvelen har været meget, meget forstyrret midt på vinteren. Mellem 1989 og 1998, imidlertid, der var ingen split vortex -begivenheder i midtvinteren. Og hvis man ser på polarvirvelhændelser, der starter i 1979, når satellitdata begynder, indtil nu, hvirvelen enten deler sig eller bliver fortrængt i gennemsnit kun cirka en gang hvert andet år.

Vi forstår ikke, hvad der driver variationen i disse begivenheder fra årti til årti, men de sker helt sikkert oftere.