Rossby-bølger påvirker vores vejr og tidevand, men hvad er de?

Carl-Gustaf Arvid Rossby var en svenskfødt meteorolog, der efterlod sig en del arv. Rossby brugte Anden Verdenskrig på at træne videnskabsmænd til det amerikanske militær og gav forudseende advarsler om klimaændringer. Selvom han døde i 1957, lever mandens navn videre i et fænomen, han opdagede i de turbulente 1930'ere:Rossby-bølger.

Også kaldet "planetbølger", disse har en enorm effekt på vores atmosfære og oceaner. Som James R. Holton og Gregory J. Hakim skriver i deres bog, "An Introduction to Dynamic Meteorology", er Rossby-bølger "[den] bølgetype, der er af den største betydning for meteorologiske processer i stor skala."

De påvirker alt fra højvande til ekstreme vejrmønstre. Og det er lige, hvad der sker på Jorden . Lad os ikke ignorere solen, som oplever sine egne Rossby-bølger. Det samme gør atmosfærerne på Venus og Jupiter.

Men hvad definerer disse ting? Hvad er det, der gør en Rossby-bølge til en Rossby-bølge?

1. Fluid Science
2. Sæt et spin på tingene
3. Hav og himmel
4. Stigende tidevand
5. Streamer nu

Fluid Science

Rossby-bølger er noget, der kan forekomme i væsker .

Vi taler ikke kun om væsker her. Ethvert flydende stof, der konstant bliver deformeret af spændinger (som friktion), der virker på dets overflade i en parallel retning, betragtes som en væske. Ved denne metrik er luften i sig selv en væske sammen med vores våde og vidunderlige oceaner.

En ægte Rossby-bølge skal opfylde nogle specifikke kriterier. For det første forekommer disse bølger kun inde i barotropiske væsker - en kategori af væsker, hvis tætheder er en funktion af trykket alene. Rossby-bølger er også naturlige biprodukter af Coriolis-effekten.

Sæt et spin på tingene

Det er tid til en ansvarsfraskrivelse. Folk har længe anklaget Coriolis-effekten for at manipulere med australske toiletter. Dette er falsk. I modsætning til hvad de urbane legender siger, har Coriolis-effekten ikke meget at gøre med, hvordan vandet hvirvler rundt i en nyskyllet john.

Det, det faktisk gør, involverer den måde, nogle objekter ser ud til at bevæge sig på, når de bevæger sig hen over et roterende legeme, såsom Jorden eller solen.

Vores hjemverden roterer østpå omkring sin egen akse, den usynlige linje, der skærer gennem planeten og forbinder nord- og sydpolen. Jorden er også meget tykkere omkring ækvator, end den er ved begge poler. Så efterhånden som planeten vender sig, snurrer dens ækvatoriale områder med en hurtigere hastighed end de højere breddegrader gør.

Hver gang du står på ækvator, bliver du - og jorden under dine fødder - snurret mod øst med næsten 1.030 miles i timen (1.670 kilometer i timen). Men når du står i den arktiske by Utqiaġvik, Alaska, på en breddegrad på 71 grader over ækvator, vil din rotationshastighed mod øst blive reduceret til kun 340 miles i timen (eller 550 kilometer i timen).

Denne forskel forklarer, hvorfor luftbårne genstande, der bevæger sig i nord-syd-retning, ser ud til at vige ud af kursen i stedet for at bevæge sig i en lige linje.

"Rossby-bølger eksisterer på grund af Coriolis-effekten," siger Mausumi Dikpati, en senior videnskabsmand, modelbygger og teoretisk solfysiker ved det Colorado-baserede High Altitude Observatory (HAO), i en e-mail. "Ingen rotation, ingen Rossby-bølger."

Hav og himmel

På Jorden forekommer Rossby-bølger både i vores atmosfære og vores oceaner. Forskere har kendt til atmosfæriske Rossby-bølger siden 1939, mens oceaniske Rossby-bølger først blev observeret tilbage i 1977.

De to har meget til fælles. Dikpati fortæller os, at de begge er forårsaget af "coriolis-styrkernes handling."

En anden medvirkende faktor er solen. I stedet for at varme vores planet jævnt op, opvarmer sollys ækvator hurtigere end tempererede zoner og polerne. Derfor har Jorden en naturlig temperaturgradient baseret på breddegrad.

Så har vi vindene, hvis styrke og retning kan blive dybt påvirket af deres højde.

"Atmosfæriske Rossby-bølger ophidses af ustabilitet i breddegradens temperaturgradient og lodret vindgradient, mens oceaniske Rossby-bølger kan ophidses af både det og virkningerne af vinden på havoverfladen," forklarer Dikpati.

Når disse bølger finder sted i havet, er de normalt mindre i skala end Rossby-bølgerne i vores atmosfære. Desuden siger Dikpati, at oceaniske Rossby-bølger er "begrænset til havbassiner, mens atmosfæriske bølger forplanter sig hele vejen rundt om Jorden."

Stigende tidevand

Du kan ikke rigtig observere marine Rossby-bølger med det blotte øje, når du står på planetens ansigt. Men heldigvis for videnskabsmænd kan kunstige satellitter overvåge deres fremskridt.

At kalde bølgerne "langsomtgående" ville være en underdrivelse. På lave breddegrader kan de "tage måneder til et år at krydse [Stillehavet] hav ," ifølge US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).

Længere væk fra ækvator kan Pacific Rossby-bølgerne rejse i et tempo, der er endnu mere afslappet, og nogle gange kræver det et årti eller mere at krydse verdens største hav.

På trods af deres langsommelighed er Rossby-bølger ikke noget, kystsamfund bør ignorere. De kan gøre højvande højere end normalt. Ikke overraskende er bølgerne også blevet forbundet med alvorlige oversvømmelser.

Hele kystlinjerne kan blive påvirket; indkommende Rossby-bølger kan hæve vandstanden på tværs af hundreder af miles (eller flere hundrede kilometer) af ejendom ved havet i en periode på måneder - hvilket forårsager kaos på den lokale infrastruktur.

En undersøgelse fra 2018 viste, at Rossby-bølger kan få kystnære havniveauer til at stige med over 3,9 tommer (10 centimeter), hvilket ikke er noget at nyse af, ikke i en verden, hvor næsten 40 procent af befolkningen bor inden for 60 miles (eller omkring 100 km) kilometer) af havet.

Streamer nu

Jetstreams er en anden legeplads for Rossby Waves.

Jetstrømme er dannet ved de konvergerende grænser mellem varme og kolde luftmasser og er hurtigt bevægende strømme. De krydser gennem vores atmosfære omkring 5 til 9 miles (8 til 14,4 kilometer) over planetens overflade og rejser med en gennemsnitshastighed på 110 miles i timen (eller 177 kilometer i timen).

Jorden har fire primære jetstrømme - med to i polarområderne og et sæt "subtropiske" strømme placeret på hver side af ækvator. Alle fire rejser fra vest til øst.

"Bølger i [jetstrømmen], som vi ser dem på vejrkort, er tæt beslægtet med Rossby-bølger," siger Dikpati. "De interagerer med de gennemsnitlige øst-vestlige vinde for at producere de bølgelignende mønstre, vi ser såvel som de [storskala] ændringer i vejret, vi føler. Denne interaktion er kernen i moderne numeriske vejrudsigelsesmodeller."

Forskere dokumenterede "ekstreme hedebølger" i Europa i årene 2003, 2010 og 2015. Hver af disse begivenheder er blevet forbundet med en række Rossby-bølger, der havde snoet sig gennem den nordlige halvkugles subtropiske jetstrøm.

De snoede bølger kan stoppe høj- eller lavtryksvejrsystemer, hvilket begrænser deres bevægelse i lange perioder. Under de forkerte omstændigheder kan det udløse naturlige kriser som oversvømmelser og tørke. Tilbage i 2018 var Rossby-bølgeaktivitet impliceret i både japanske lynoversvømmelser og nordamerikanske hedebølger.

Sådanne begivenheder kan have globale konsekvenser. En undersøgelse fra 2020 offentliggjort i tidsskriftet "Nature Climate Change" argumenterede for, at Rossby-bølger kunne udgøre en stor trussel mod international fødevaresikkerhed. Det er ikke svært at forestille sig, at varmeperioder forårsaget af disse bølger sænker afgrødeproduktionen med så meget som 11 procent i regioner, der er blevet afgørende for verdens fødevareforsyning. Dejligt.

Dikpati studerer blandt andet Rossby-bølgernes dannelse og adfærd på solen. "Solar Rossby-bølger blev først observeret i bevægelsen af ​​magnetiske strukturer i solkoronaen," siger hun. For ordens skyld er koronaen solens udvidede ydre atmosfære, et lyst lag, der kigger ud på Jorden bagved månen under totale solformørkelser. Ved at studere solens Rossby-bølger håber forskerne at få en bedre forståelse af miljøændringer kendt som "rumvejr", der påvirker alt fra tv-udsendelser og strømnet til GPS-systemer og militærsatellitter.