Американські геофізики пояснили періодичне зміщення полярних висотних струменевих течій в атмосфері Землі в меридіональному напрямку, яке призводить до екстремальних погодних явищ в помірних широтах. Виявилося, що цей ефект аналогічний заторам на дорозі: для компенсації надлишкової інтенсивності хвильових процесів потоку доводиться знижувати свою швидкість. Це призводить до блокування течії і вимушеного повороту відносно початкового напрямку, пишуть вчені в.
У верхніх шарах тропосфери Землі, на висоті від 5 до 16 кілометрів, утворюються висотні струменеві течії - швидкі повітряні потоки, які рухаються зі швидкістю до 100 метрів на секунду і багато в чому визначають клімат на Землі на глобальному масштабі. Одна з найбільш потужних і важливих для клімату струменевих течій на планеті - полярний струменевий потік у Північній півкулі, який рухається навколо Північного полюса із заходу на схід. Відомо, що іноді нормальний режим течії (в якому можливі невеликі відхилення на південь або на північ, пов'язані з утворенням хвиль Россбі) змінюється аномальним меандруванням. Внаслідок цього перебіг дуже сильно зміщується, наприклад, на південь, що може стати причиною посух у помірних широтах, а іноді призводить і до виникнення дуже потужних ураганів.
Незважаючи на те, що ефект аномального меандрування висотних струменевих течій добре відомий, точно визначити, що саме блокує рух повітря на схід у певній точці потоку, досі не вдавалося. Щоб більш детально дослідити механізм відхилень повітряних потоків щодо початкового напрямку із заходу на схід, геофізики з Чиказького університету Нобору Накамура (Noboru Nakamura) і Клер Хуанг (Clare S. Y. Huang) проаналізували метеорологічні дані, що описують динаміку полярного висотного струменевого течії в Північній півкулі з 1979 по 2016 рік, і постаралися описати її за допомогою математичного моделювання.
Для аналізу даних вчені використовували модель, яка дозволяє описати «ступінь вираженості хвильових явищ» у повітряному потоці, тобто наскільки сильно повітря прагне відхилитися в меридіональному напрямку за рахунок утворення хвиль Россбі щодо основного напрямку руху із заходу на схід. Для цього в одній зі своїх попередніх робіт вчені ввели спеціальну величину, за допомогою якої можна висловити локальну активність хвильових процесів протягом кількісно, а зараз - з'ясували, що у повітряного потоку існує для неї граничне значення, при якому з режиму нормального руху (з невеликими відхиленнями в меридіональному напрямку) течія переходить у «заблокований» стан.
Виявилося, що між швидкістю перебігу, інтенсивністю хвильових явищ і виникненням аномальних петель у потоці існує виражена кореляція, яка може бути описана простою математичною моделлю з єдиним положенням рівноваги. Ефект блокування потоку, який згідно моделі виникає при занадто сильному збільшенні інтенсивності хвильових процесів, вчені порівнюють з виникненням затору на дорозі при перевищенні порогового значення для кількості автомобілів. У разі повітряного потоку занадто високою може виявитися хвильова активність, і для компенсації цього ефекту потоку доводиться різко сповільнюватися, що і призводить до його блокування і вимушеного повороту на південь або на північ.
За допомогою запропонованої моделі вченим також вдалося описати циклічність цього явища і регулярну появу меридіональних петель у струменевих течіях. Геофізики відзначають, що в природних умовах до збільшення інтенсивності хвиль Россбі в повітряних потоках (і, відповідно, блокування течії) можуть призводити кліматичні зміни - зростання температури або концентрації газів в атмосфері.
За словами авторів роботи, в даному дослідженні була розглянута лише проста одномірна модель розвитку «заторів» у повітряних потоках, яка дозволяє чітко визначити природу ефекту блокування потоку, але не зовсім точна при його кількісному описі. Для більш детального дослідження в майбутніх роботах вчені планують розглянути також упереджені і тривимірні моделі.
Виникнення струменевих течій з великою швидкістю характерно не тільки для Землі: такі потоки можуть виникати і в атмосферах інших планет. Наприклад, подібні повітряні потоки можуть помітно ускладнити пошук життя на екзопланетах, тому що їх рух може приховувати від телескопів присутність біомаркерів. Зовсім недавно астрономи показали, що на газових гігантах (наприклад на Юпітері) струменеві течії мають більш складну тривимірну структуру, виникають під верхнім шаром хмар і можуть йти вглиб планети на кілька тисяч кілометрів.