Modele pogody i klimatu dość dobrze rozumieją, w jaki sposób sezonowe wiatry i prądy oceaniczne wpływają na wzorce El Niño we wschodnim równikowym Pacyfiku, wpływając na pogodę w Stanach Zjednoczonych, a czasem na całym świecie.
Jednak nowe symulacje komputerowe pokazują, że jeden z czynników napędzających roczne cykle pogodowe w tym regionie – w szczególności zimny język wód powierzchniowych rozciągający się na zachód wzdłuż równika od wybrzeży Ameryki Południowej – nie został rozpoznany: zmieniająca się odległość między Ziemią a słońce.
Zimny język z kolei wpływa na oscylację południową El Niño (ENSO), która wpływa na pogodę w Kalifornii, dużej części Ameryki Północnej, a często na całym świecie.
Odległość Ziemia-Słońce powoli zmienia się w ciągu roku, ponieważ orbita Ziemi jest nieco eliptyczna. Obecnie, w swoim najbliższym zbliżeniu – peryhelium – Ziemia jest o około 3 miliony mil bliżej Słońca niż w jej najdalszym punkcie, czyli aphelium. W rezultacie światło słoneczne jest o około 7% bardziej intensywne w peryhelium niż w aphelium.
Badania prowadzone przez Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley pokazują, że niewielka roczna zmiana odległości od Słońca może mieć duży wpływ na roczny cykl zimnego języka. Różni się to od wpływu nachylenia osi Ziemi na pory roku, który jest obecnie uważany za przyczynę rocznego cyklu zimnego języka.
Ponieważ okresy rocznego cyklu wynikające z efektów nachylenia i odległości są nieco inne, ich łączne efekty zmieniają się w czasie, powiedział główny badacz John Chiang, profesor geografii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.
„Ciekawe jest to, że roczny cykl z efektu odległości jest nieco dłuższy niż w przypadku pochylenia – obecnie około 25 minut – więc na przestrzeni około 11 000 lat dwa roczne cykle przechodzą od fazy fazy do wyjścia z W rezultacie sezonowość netto ulega znaczącej zmianie” – powiedział Chiang.
Chiang zauważył, że efekt odległości jest już włączony do modeli klimatycznych – chociaż jego wpływ na równikowy Pacyfik nie został do tej pory rozpoznany – a jego odkrycia nie zmienią prognoz pogody ani prognoz klimatycznych. Ale 22 000-letni cykl fazowy mógł mieć długoterminowe, historyczne skutki. Wiadomo, że precesja orbitalna Ziemi wpłynęła na przykład na czas epok lodowcowych.
Efekt odległości – i jego 22 000-letnia zmienność – może również wpływać na inne systemy pogodowe na Ziemi. ENSO, która również pochodzi z równikowego Pacyfiku, jest prawdopodobnie dotknięta tym problemem, ponieważ jego działanie jest ściśle związane z sezonowym cyklem zimnego języka.
„Teoria mówi nam, że sezonowy cykl zimnego języka odgrywa kluczową rolę w rozwoju i zakończeniu wydarzeń ENSO” – powiedziała Alyssa Atwood, była adiunkt na Uniwersytecie Stanowym Florydy w Tallahassee. „Z tego powodu wiele kluczowych cech ENSO jest zsynchronizowanych z cyklem sezonowym”.
Na przykład wydarzenia ENSO mają tendencję do osiągania szczytu podczas zim na półkuli północnej i zazwyczaj nie utrzymują się poza północnymi lub borealnymi wiosennymi miesiącami, które naukowcy nazywają „barierą przewidywalności wiosny”. Z powodu tych powiązań można rozsądnie oczekiwać, że efekt odległości może również mieć duży wpływ na ENSO – coś, co powinno zostać zbadane w przyszłych badaniach.
„Bardzo mało uwagi poświęcono cyklowi sezonowemu zimnego języka, ponieważ większość ludzi uważa, że to rozwiązane. Nie ma tam nic ciekawego” – powiedział Chiang. „To, co pokazują te badania, to to, że nie jest to rozwiązane. Wciąż tkwi w tym tajemnica. Nasz wynik nasuwa również pytanie, czy inne regiony na Ziemi również mogą mieć znaczący udział w ich cyklu sezonowym”.
„Na lekcjach nauk ścisłych uczymy się już w szkole podstawowej, że pory roku są spowodowane nachyleniem osi Ziemi” – dodał współautor Anthony Broccoli z Rutgers University. „To z pewnością prawda i jest dobrze rozumiana od wieków. Chociaż wpływ odległości Ziemia-Słońce również został rozpoznany, nasze badanie wskazuje, że ten „efekt odległości” może mieć ważniejszy wpływ na klimat niż wcześniej uznawano. “
Chiang, Atwood i Broccoli oraz ich koledzy przedstawili dziś swoje odkrycia w czasopiśmie Nature.
Dwa odrębne cykle roczne wpływają na zimny język Pacyfiku
Głównym motorem globalnych zmian pogody są zmiany sezonowe. Równik Ziemi jest nachylony w stosunku do swojej orbity wokół Słońca, więc półkula północna i południowa są inaczej oświetlone. Kiedy słońce świeci bezpośrednio nad głową na północy, na północy jest cieplej, a na południu zimniej i na odwrót.
Te coroczne zmiany mają duży wpływ na pasaty równikowe na Pacyfiku, które wieją z południowego wschodu na północny zachód przez południe i równikowy Pacyfik i popychają wody powierzchniowe na zachód, powodując wypływ zimnej wody wzdłuż równika, który tworzy język zimnej wody powierzchniowej, który rozciąga się od Ekwador przez Pacyfik — prawie jedna czwarta obwodu planety.
Roczne półkuli zmiany temperatury sezonowej zmieniają siłę handlu, a tym samym powodują roczny cykl temperatury zimnego języka. To z kolei ma duży wpływ na ENSO, które zwykle osiąga szczyt podczas zimy na półkuli północnej.
Występowanie El Niño – lub jego przeciwieństwa, La Niña – pomaga określić, czy Kalifornia i zachodnie wybrzeże będą miały mokrą czy suchą zimę, ale także czy na Środkowym Zachodzie iw niektórych częściach Azji będzie deszcz lub susza.
„Badując dawne klimaty, wiele wysiłku poświęcono próbie zrozumienia, czy zmienność w tropikalnym Oceanie Spokojnym – czyli cykl El Niño/La Niña – zmieniła się w przeszłości” – powiedział Broccoli. „Zdecydowaliśmy się skupić na rocznym cyklu temperatur oceanów we wschodnim, zimnym języku Pacyfiku. Nasze badanie wykazało, że czas peryhelium – czyli punkt, w którym Ziemia jest najbliżej Słońca – ma istotny wpływ o klimacie tropikalnego Pacyfiku”.
W 2015 roku Broccoli, współdyrektor Rutgers Climate Institute, wraz ze swoim ówczesnym doktorantem Michaelem Erbem, zastosowali komputerowy model klimatu, aby pokazać, że zmiany odległości spowodowane eliptyczną orbitą Ziemi dramatycznie zmieniły roczny cykl zimnego języka. Ale twórcy klimatu w większości zignorowali wynik, powiedział Chiang.
„Nasza dziedzina koncentruje się na El Niño i myśleliśmy, że cykl sezonowy został rozwiązany. Ale potem zdaliśmy sobie sprawę, że wynik Erba i Broccoli podważa to założenie” – powiedział.
Chiang i jego koledzy, w tym Broccoli i Atwood, zbadali podobne symulacje przy użyciu czterech różnych modeli klimatycznych i potwierdzili wynik. Ale zespół poszedł dalej, aby pokazać, jak działa efekt odległości.
Półkule „morskie” i „kontynentalne” Ziemi
Kluczowe rozróżnienie polega na tym, że zmiany odległości Słońca od Ziemi nie wpływają w różny sposób na półkulę północną i południową, co powoduje efekt sezonowy związany z nachyleniem osi Ziemi. Zamiast tego ogrzewają wschodnią „półkulę kontynentalną”, zdominowaną przez lądy Ameryki Północnej i Południowej, Afryki i Eurazji, bardziej niż ogrzewają półkulę zachodnią – to, co nazywa półkulą morską, ponieważ jest zdominowana przez Ocean Spokojny.
„Tradycyjnym sposobem myślenia o monsunach jest to, że półkula północna nagrzewa się w stosunku do półkuli południowej, generując wiatry na lądzie, które przynoszą deszcze monsunowe” – powiedział Chiang. „Ale tutaj tak naprawdę mówimy o różnicach temperatur wschód-zachód, a nie północ-południe, które powodują wiatry. Efekt odległości działa poprzez ten sam mechanizm, co sezonowe deszcze monsunowe, ale zmiany wiatru pochodzą z tego wschodu – zachodni monsun.”
Wiatry generowane przez to zróżnicowane ogrzewanie półkul morskich i kontynentalnych zmieniają roczną zmienność handlu wschodniego w zachodnim równikowym Pacyfiku, a tym samym zimny język.
„Kiedy Ziemia jest najbliżej Słońca, wiatry te są silne. Poza sezonem, kiedy słońce jest najdalej, wiatry te słabną” – powiedział Chiang. „Te zmiany wiatru są następnie przenoszone do wschodniego Pacyfiku przez termoklinę i w rezultacie napędzają roczny cykl zimnego języka”.
Dziś, powiedział Chiang, efekt odległości na zimnym języku stanowi około jednej trzeciej siły efektu pochylenia i wzmacniają się nawzajem, prowadząc do silnego rocznego cyklu zimnego języka. Około 6000 lat temu znosili się nawzajem, dając wyciszony roczny cykl zimnego języka. W przeszłości, kiedy orbita Ziemi była bardziej eliptyczna, wpływ odległości na zimny język byłby większy i mógł prowadzić do pełniejszego anulowania, gdy nie jest w fazie.
Chociaż Chiang i jego koledzy nie zbadali skutków takiego anulowania, potencjalnie miałoby to globalny wpływ na wzorce pogodowe.
Chiang podkreślił, że wpływ odległości na klimat, choć wyraźny w symulacjach modeli klimatycznych, nie byłby oczywisty z obserwacji, ponieważ nie można go łatwo odróżnić od efektu nachylenia.
„To badanie jest oparte wyłącznie na modelu. Jest to więc przewidywanie” – powiedział. „Ale to zachowanie jest odtwarzane przez wiele różnych modeli, co najmniej czterech. W tym badaniu wyjaśniliśmy, dlaczego tak się dzieje. W trakcie tego procesu odkryliśmy kolejny roczny cykl zimnego języka, który jest napędzany przez Ekscentryczność Ziemi”.
Atwood zauważył, że w przeciwieństwie do silnych zmian w cyklu sezonowym zimnego języka, zmiany w ENSO wydają się być zależne od modelu.
„Podczas gdy ENSO pozostaje wyzwaniem dla modeli klimatycznych, możemy spojrzeć poza symulacje modeli klimatycznych na zapis paleoklimatyczny, aby zbadać związek między zmianami w rocznym cyklu zimnego języka a ENSO w przeszłości” – powiedziała. „Do tej pory zapisy paleoklimatyczne z tropikalnego Pacyfiku były w dużej mierze interpretowane w kategoriach przeszłych zmian w ENSO, ale nasze badanie podkreśla potrzebę oddzielenia zmian w rocznym cyklu zimnego języka od zmian w ENSO”.
Koledzy Chianga, oprócz Broccoli i Atwood, to Daniel Vimont z University of Wisconsin w Madison; były student Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley Paul Nicknish, obecnie doktorant w Massachusetts Institute of Technology; William Roberts z Northumbria University w Newcastle-upon-Tyne w Wielkiej Brytanii; i Clay Tabor z University of Connecticut w Storrs. Chiang przeprowadził część badań podczas urlopu naukowego w Instytucie Badawczym Zmian Środowiskowych Academia Sinica w Taipei na Tajwanie.