Над тропической частью Тихого океана давление воздуха дышит с периодами от двух до четырнадцати лет. Барометр на Таити поднимается, а в австралийском Дарвине падает, и весь климат планеты вздрагивает: наступает Эль-Ниньо. Метеорологи называют это Южным колебанием и следят за ним уже 138 лет, но до сих пор не могли ответить на простой вопрос: откуда берутся именно такие периоды? Классические волны Россби, которые обычно приводят в пример, живут не дольше ста дней, а тут — годы. Значит, нужен другой механизм.
Волны Россби — это гигантские изгибы воздушных потоков, которые возникают из-за вращения Земли. Они похожи на медленные колебания гигантской верёвки, которую кто-то невидимый дёргает сбоку. В стандартной теории эти волны двумерные: они живут только в горизонтальной плоскости, как рябь на поверхности пруда. Но атмосфера не плоская, она слоистая: у самой земли воздух плотный, а на высоте десятка километров — разреженный, как суфле. Именно эта слоистость, или стратификация, рождает третий тип волн — трёхмерные медленные волны Россби, которые движутся не только вширь, но и ввысь.
Авторы работы построили математическую модель сферической атмосферы, которая вращается и имеет слои разной плотности. Они нашли, что трёхмерные волны Россби могут иметь периоды от 2,5 до 14 лет — ровно те, что наблюдаются в индексе Южного колебания. Например, волна с азимутальным числом m=1 и вертикальным масштабом 7,3 км даёт период 13,88 года, а волна с масштабом 16,3 км — 3,96 года. Эти вертикальные масштабы сравнимы с высотой тропопаузы, границы между нижним и верхним слоями атмосферы, где как раз и происходит смена режимов.
Ключевой момент: волны не просто существуют сами по себе, их возбуждает неустойчивость, которая питается тепловой энергией конвективных движений. Это похоже на то, как кипящая кастрюля с супом порождает медленные крупные пузыри, которые всплывают на поверхность на фоне быстрого бурления. До работы было непонятно, почему в спектре Южного колебания видны именно такие периоды, а не хаос. Теперь ясно: медленные волны Россби действуют как метроном, который синхронизирует климатические колебания.
Сегодня эта теория может улучшить прогнозирование Эль-Ниньо и связанных с ним засух, наводнений и неурожаев. Если мы понимаем, какой оркестр играет в атмосфере, мы можем предсказать, когда он сменит темп. А в будущем те же уравнения помогут описать атмосферы других планет, где тоже есть вращение и слои газа разной плотности. Оркестр без дирижёра продолжает играть, но теперь мы знаем его партитуру.
Периоды медленных волн Россби сравнимы с временем обучения в школе: от 2.5 до 14 лет. Индекс Южного колебания измеряется по разности давления между Таити и Дарвином, и его колебания видны даже после сглаживания за 5 месяцев.