Dzięki licznym oplatającym naszą planetę sieciom pomiarowym naziemnym i satelitarnym, mamy dziś możliwość obserwowania wielu ciekawych zjawisk. Należą do nich erupcje wulkanów oraz towarzyszące im efekty takie jak rozchodzące się w atmosferze fale grawitacyjne. Doniesienia o nich często powodują zdziwienie, bo hasło „fale grawitacyjne” kojarzy się przede wszystkim ze „zmarszczkami czasoprzestrzeni”. O co chodzi? Na przykładzie niedawnej erupcji wulkanu w archipelagu Tonga tłumaczy prof. Szymon Malinowski. 

Satelitarne zdjęcie erupcji Hunga Tonga, widać rozchodzące się w atmosferze grube kłęby pyłów wulkanicznych i powstałą chmurę.
Ilustracja 1: Erupcja wulkanu Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai, zdjęcie z japońskiego satelity Himawari 8 zamieszczamy dzięki uprzejmości Japan Meteorological Agency i NASA SPoRT 

W sobotę 15 stycznia o 6:00 rano naszego czasu nastąpił potężny wybuch podwodnego wulkanu w archipelagu Tonga. Erupcję zarejestrowały geostacjonarne satelity meteorologiczne obserwujące atmosferę nad Pacyfikiem. Na animacji stworzonej na podstawie kolejnych obrazów satelitarnych, prócz gwałtownie rosnącej i wznoszącej się w górę chmury pyłu wyraźnie widać rozchodzące się koliście kręgi. To spektakularny przykład tak zwanych fal grawitacyjnych w atmosferze, powietrznego odpowiednika tsunami.  

Fale na wodzie

Każdy z nas prawdopodobnie obserwował fale na wodzie rozchodzące się w postaci kręgów od zaburzenia spowodowanego wrzuceniem do wody kamienia. Uważny obserwator, nie skupiając się na całym kręgu ale obserwując jego wycinek podczas wędrówki po wodzie, zauważy, że grzbiety fal nie wędrują razem z kręgiem. Krąg rozszerza się szybciej, niż poszczególne zafalowania. 

To przykład paczki falowej która niesie ze sobą energię, ale która nie jest jednoznaczna z pojedynczymi falami które się na nią składają. Podobne fale i paczki falowe wędrują nie tylko na powierzchni wody czy innych cieczy, ale zdarzają się i w atmosferze. 

Fale w atmosferze

Atmosfera jest na ogół w stabilnej równowadze hydrostatycznej. Co to znaczy? Że można ją sobie wyobrażać, jako składającą się z kolejnych warstw płynu: najgęstszych na dole i coraz mniej gęstych, idąc w górę. W takiej sytuacji powietrze z poszczególnych warstw ma tendencję do pozostawania na swoim miejscu: nawet jeśli to gęstsze zostanie wypchnięte do góry, szybko opadnie z powrotem pod wpływem siły grawitacji.

Ciągnąc dalej nasze wyobrażenie możemy wyobrazić sobie granice – powierzchnie rozdzielające warstwy powietrza. Poniżej warstwa o większej gęstości, powyżej – warstwa o mniejszej. Taka granica przypomina granicę między wodą a powietrzem i wzdłuż niej mogą propagować się fale podobne do tych fal na wodzie. Takie fale nazywamy grawitacyjnymi falami powierzchniowymi. Grawitacyjnymi, gdyż równowaga hydrostatyczna to efekt w polu grawitacyjnym. Napisałem wyżej o zmianie gęstości, ale tak naprawdę ich mechanizm wyjaśnia coraz mniejszy ciężar właściwy.

Ciężar właściwy – stosunek ciężaru (siły ciężkości działającej na ciało) do objętości ciała. 

Jednak fale na granicy woda-powietrze i fale w atmosferze są nieco różne. Na ogół głębokość wody i grubość powietrza nad nią są duże a małe zaburzenie na powierzchni propaguje się tylko wzdłuż niej. Im dalej od powierzchni, tym fluktuacje z nim związane są mniej zauważalne, aż w praktyce zanika. 

Zdjęcie: powierzchnia wody z licznymi kręgami spowodowanymi przez spadające krople
Ilustracja 2: Fale rozchodzące się po powierzchni wody rozchodzą się przede wszystkim na tej powierzchni. Zdjęcie: Sandid (licencja Pixabay). 

Ale gdy warstwy między powierzchniami są cienkie a zaburzenia duże (a tak właśnie jest w przypadku fal w atmosferze), każde zaburzenie jednej powierzchni powoduje zaburzenie sąsiedniej. Fale na jednej powierzchni wywołują fale na sąsiednich, czyli energia paczki falowej nie jest niesiona tylko wzdłuż powierzchni ale i w górę (gdy zaburzenie wywołujące fale wystąpi na dolnej granicy atmosfery, jak było to w przypadku wybuchu Hunga Tonga), lub w górę i w dół dla zaburzenia w środku atmosfery (np. gdy zdetonujemy w niej bombę).

Fale wzbudzone przez Hunga Tonga zaobserwowane w Warszawie

Jeśli zestawimy sobie grubość atmosfery (kilkadziesiąt km) z rozmiarami globu, zauważymy, że fale wzbudzone przez wybuch Hunga Tonga musiały propagować się głównie w poziomie, podobnie jak fale na wodzie. 

Zdjęcie pokazujące fragment Ziemi, z widoczną nad nim cienką warstwą atmosfery.
Ilustracja 3: Zdjęcie z pokładu stacji kosmicznej pokazuje grubość atmosfery w porównaniu z rozmiarem Ziemi. Źródło: NASA

Co więcej, fale te rozchodziły się od miejsca eksplozji dookoła globu. Spowodowany przez nie krąg rozszerzał się aż do momentu gdy jego rozmiar osiągnął rozmiar koła wielkiego Ziemi (czyli miał promień taki, jak nasza planeta), a potem musiał zacząć się kurczyć. Widać to znakomicie  na animacji przetworzonych obrazów z satelity geostacjonarnego Meteosat-8 udostępnianej przez europejską agencję  EUMETSAT: 

Była to fala dyspersyjna, czyli taka, która traci część energii (zanika) z powodu tego że różne składniki paczki falowej wędrują z inną prędkością, zamieniając w dodatku część energii na ciepło i lokalną turbulencję (zawirowania powietrza). Mimo to, udało się ją zaobserwować w odległych częściach globu, także nad Polską.

Wykresy ciśnienia zmierzonego w Warszawie po erupcji Hunga Tonga. Na jednym widać wyraźny, krótkotrwały skok w górę, na drugim skok w dół.
Ilustracja 4: Wykresy ciśnienia mierzonego w Warszawie 15 i 16 stycznia 2022, po erupcji Hunga Tonga.

Nad Warszawą falę zaobserwowano dwukrotnie, raz gdy rozszerzała się jeszcze wędrując od Tonga na odległość 16 tys km i drugi raz, gdy już się kurczyła (przebiegła 24 tys km i dotarła do Warszawy „z drugiej strony” globu). Widać ją na odczytach ciśnienia ciśnienia z naszej stacji meteorologicznej (https://www.igf.fuw.edu.pl/pl/meteo-station/lab_tr_pasteura_5/) z 15 stycznia ok. godziny 19:00 i 16 stycznia przed godziną 02:00. 

Niestety, fala przechodziła nad Polską w nocy, więc nie wiemy czy nie wywołała na niebie ciekawych efektów związanych z zachmurzeniem zaobserwowanych w niektórych miejscach na świecie, takich jak tym filmie poklatkowym z Hawajów.

Szymon P. Malinowski

Opublikowano: 25 stycznia 2022

Zasady komentowania na Nauka o klimacie

Nasza strona służy popularyzacji nauki. Chętnie odpowiadamy na pytania, ale nie akceptujemy spamu i dezinformacji.