Fale na froncie

Zmiany pogody z dnia na dzień czy przedłużające się okresy upałów, mrozów czy susz? W naszych szerokościach geograficznych prawdopodobieństwo wystąpienia tych zjawisk związane jest z zachowaniem prądu strumieniowego. Ale skąd właściwie bierze się prąd strumieniowy (jet-stream) i jak jego zachowanie zmienia się wraz z postępującym globalnym ociepleniem? Wyjaśniamy!

Skąd bierze się prąd strumieniowy

Barometr poruszający się w górę od powierzchni Ziemi zawsze zarejestruje spadek ciśnienia. Wartość ciśnienia na konkretnej wysokości zależy bowiem od ciężaru powietrza znajdującego się powyżej. Im wyżej jesteśmy, tym mniej powietrza znajduje się nad nami, więc ciśnienie jest coraz mniejsze. To, jak szybko ciśnienie spada z wysokością zależy od jego temperatury. Powietrze chłodne ma większą gęstość niż ciepłe, co oznacza, że słup powietrza chłodnego waży więcej niż tak samo wysoki słup powietrza ciepłego. Przemieszczenie w górę w powietrzu chłodnym spowoduje więc większy spadek ciśnienia niż takie samo przemieszczenie w powietrzu ciepłym (patrz rysunek 2).

W umiarkowanych szerokościach geograficznych ciepłe masy powietrza podzwrotnikowego spotykają się z chłodnym powietrzem ze strefy podbiegunowej (obszar ich styku nazywamy frontem polarnym). To oznacza, że nawet gdyby na powierzchni Ziemi ciśnienie po obu strunach frontu było jednakowe, na większych wysokościach pojawiłyby się jego zróżnicowanie (rysunek 2).  Im wyżej, tym bardziej wyraźne.

To zróżnicowanie wzbudza przepływ powietrza, które próbuje przemieścić się z regionu o podwyższonym ciśnieniu (na prawo od frontu na rys.2) do strefy obniżonego ciśnienia (na lewo od frontu). Ze względu na to, że wszystko dzieje się w atmosferze wirującej planety, siła Coriolisa odchyla  przemieszczającą się masę powietrza, która w rezultacie nie poruszaj się wprost z obszaru niskiego ciśnienia do wysokiego, lecz zakręca i płynie w poziomie wzdłuż izobar (linii stałego ciśnienia). Im większa różnica ciśnień, tym większy efekt Coriolisa i szybszy wiatr. Jak łatwo wywnioskować z rysunku, na froncie polarnym prędkość tak powstałego wiatru rośnie z wysokością. Na poziomie ok. 10 km osiąga prędkość maksymalną – to właśnie jest prąd strumieniowy. Powyżej, w stratosferze, różnice ciśnień spadają i wraz z nimi zmniejsza się prędkość wiatru.

Fale na planetarną skalę

Mogłoby się wydawać, że front polarny i powstający na nim prąd strumieniowy powinny układać się po prostu wzdłuż któregoś z równoleżników. W rzeczywistości zazwyczaj tworzą wokół bieguna nieregularną, czasem poprzerywaną „falbankę”. Ten falbaniasty układ nazywamy falami planetarnymi lub falami Rossby’ego.

Dzięki falom Rossby’ego ciepłe powietrze z południa przemieszcza się w stronę bieguna, a chłodne z północy – w stronę niższych szerokości (patrz rysunek 3). W meandrach frontu polarnego powstają wyże i niże atmosferyczne, układy charakteryzujące się pewnymi typowymi warunkami meteorologicznymi: wyże przynoszą nam stabilną pogodę i bezchmurne niebo (co latem oznacza upał, a zimą – mróz), niże – fronty atmosferyczne z opadami. Prąd strumieniowy oraz wyże i niże to zjawiska, które nawzajem się napędzają i wpływają na swoje położenie. Daje się to wszystko opisać precyzyjnie równaniami dynamiki atmosfery, a pragnących zgłębić temat możemy odesłać do podręczników, np. Łobocki 2019 czy Vallis 2017.

W typowych warunkach kolejne grzbiety fal Rossby’ego przemieszczają się systematycznie na wschód, zapewniając Europie (i innym obszarom umiarkowanych szerokości geograficznych) stałe zmiany pogody. Czasami jednak dochodzi do ich „zablokowania”. Wyże i niże utykają wtedy w konkretnych miejscach, gdzie przez dłuższy czas utrzymuje się niezmienna pogoda: na przykład napływ powietrza tropikalnego lub arktycznego. Już od dłuższego czasu wiadomo, że w atmosferze powstawać może specyficzny falowód, „korytarz” trzymający front polarny w ryzach i zapobiegający „uciekaniu” energii fali na północ i południe (patrz 2.0.CO;2″>Hoskins i Ambrizzi, 1992). Dzięki gromadzeniu się energii w falowodzie, może dochodzić do powstawania rezonansu, czyli wzrostu amplitudy fali. Jest to możliwe dzięki zgodnemu działaniu dwóch efektów (2013, 2016):

• faktu, że atmosfera jest to cienka warstwa płynu (przypominamy że płyny to ciecze i gazy, a 75% masy atmosfery znajduje się w warstwie do ok. 10 km, co przy promieniu planety 6400 km jest bardzo niewielką wartością) na obracającej się planecie, która w dodatku nie jest stabilna: zawsze znajdziemy gdzieś sąsiadujące ze sobą masy chłodnego i ciepłego powietrza – te pierwsze, jako gęstsze, zawsze będą próbowały wpychać się pod drugie (fale swobodne),
• wpływu cech podłoża na przepływy powietrza: wysokie łańcuchy górskie (na przykład Alpy czy Góry Skaliste) albo kontrasty temperatury między lądem i oceanem mogą zmieniać jego trajektorię (fale wymuszone).

Ograniczenie rozchodzenia się fal na północ i południe ułatwia stopniowe nałożenie się i uzgodnienie fazy fal swobodnych i wymuszonych.

W warunkach rezonansu fala Rossby’ego charakteryzuje się liczbą falową między 6 a 8, czyli wokół bieguna zobaczymy 6-8 „wypustek” chłodnego powietrza. Taka sytuacja powstaje przede wszystkim (choć nie wyłącznie) latem (Petoukhov i in., 2013, 2016). Meandry prądu sięgają wtedy daleko na północ i południe, a pogoda w ich zasięgu może stawać się ekstremalna. To właśnie takie sytuacje przyniosły Europie fale upałów w latach 2003 (kilkadziesiąt tysięcy ofiar śmiertelnych) czy 2018 (pamiętne pożary w Grecji i Skandynawii), rekordowe pożary w Kanadzie w 2016 czy atak zimy na przełomie stycznia i lutego 2018 w Ameryce Północnej (Mann, 2019).

Wtem: zmiana klimatu

Mann i in. (2017) pokazali, że warunki rozwoju rezonansu fal Rossby’ego w ostatnich dekadach występują coraz częściej. Symulacje z użyciem modeli klimatu wskazują, że główną tego przyczyną jest globalne ocieplenie przynoszące nieproporcjonalnie szybkie ogrzewanie się Arktyki (patrz także Arktyczne wzmocnienie) i związany z tym spadek różnicy temperatur pomiędzy biegunem a tropikami. Wraz ze spadkiem różnic temperatur po obydwu stronach frontu polarnego spada prędkość prądu strumieniowego, przez co sam prąd coraz częściej meandruje (podobnie jak rzeka na równinie) i częściej dochodzi do blokowania wędrówki fal Rossby’ego. Z obliczeń wynika, że prawdopodobieństwo występowania takich sytuacji i związanych z nimi ekstremów pogodowych wzrosło już o ok. 50% (Mann i in., 2017, 2019).

Czy dalsze ocieplenie klimatu będzie już tylko pogarszać sytuację? Wiele za tym przemawia – coraz cieplejsza atmosfera oznacza przykładowo coraz bardziej dotkliwe fale upałów, a także wyższą wilgotność powietrza i silniejsze opady. W przypadku rezonansu fal Rossby’ego oczekiwania są jednak nieco inne. Z obliczeń Manna i kolegów (2018) wynika, że w scenariuszu zakładającym dalszy wzrost emisji gazów cieplarnianych przez człowieka (RCP8.5, znany jako „biznes jak zwykle”), w połowie XXI wieku częstość takich zdarzeń przejściowo przestanie rosnąć, a następnie wejdzie w okres przyśpieszonego wzrostu.

Przyczyną przejściowego ustabilizowania sytuacji będzie spodziewane ograniczenie emisji zanieczyszczeń przez zakłady przemysłowe. Zjawisko to wystąpiło już w Stanach Zjednoczonych i Europie, gdzie w związku z nasilającym się problemem kwaśnych deszczy już kilkadziesiąt lat temu wprowadzono regulacje ograniczające wypuszczanie do atmosfery związków siarki powodujących powstawanie aerozolu atmosferycznego. Podobne zmiany zaczęto ostatnio wprowadzać w Chinach. Będzie to oznaczało spadek ilości zawieszonych w atmosferze cząstek  rozpraszających  wstecz promieniowanie słoneczne i w konsekwencji – zwiększenie strumienia energii docierającej do powierzchni Ziemi. Ocieplenie w szerokościach umiarkowanych może dzięki temu przyśpieszyć do tego stopnia, że będzie ono takie samo, albo nawet szybsze niż w Arktyce. Pozwoli to na utrzymanie przez jakiś czas różnicy temperatur dzięki której powstaje prąd strumieniowy. Należy jednak pamiętać, że efekt ten nie będzie utrzymywał się w nieskończoność. Jeśli koncentracje gazów cieplarnianych będą rosły dalej, postępujące ocieplanie się Arktyki będzie powodować spadek różnicy temperatur i dalsze słabnięcie prądu strumieniowego (Mann i in., 2018).

dr Aleksandra Kardaś, weryfikacja merytoryczna prof. Szymon Malinowski