Океан как натянутая струна: почему Эль-Ниньо бывает двух видов

Оригинал: "A spatiotemporal oscillator model for ENSO"
· Yaokun Li
arXiv:2306.04074 · 2023-06-07 · CC BY 4.0 · 2 мин
Колебания температуры Тихого океана раскладываются на два тона, как звук гитарной струны, и из их смеси рождаются все разновидности Эль-Ниньо.

В 1982 году рыбаки у побережья Перу остались без улова, а на другом конце Тихого океана, в Австралии, началась засуха. Так впервые громко заявил о себе Эль-Ниньо — тёплое течение, которое раз в несколько лет переворачивает погоду на всей планете. С тех пор его изучают с кораблей, спутников и буёв, но одна загадка не поддавалась: почему иногда тёплая вода скапливается у берегов Южной Америки, а иногда — в самом центре океана? Климатологи даже разделили эти случаи на два разных типа, но не могли объяснить, откуда берётся такое разнообразие.

Океан похож на натянутую гитарную струну. Если дёрнуть струну, она зазвучит не одним чистым тоном, а сразу несколькими: основным и обертонами. Точно так же поверхность Тихого океана, если её «дёрнуть» порывом ветра, начинает колебаться не одним способом, а несколькими одновременно.

Новая модель, построенная на уравнениях движения океанской воды, показывает: у Тихого океана есть два главных «тона». Первый тон, самый низкий, колеблется с периодом 4,3 года. В этом режиме вода становится теплее на востоке и холоднее на западе — это классический Эль-Ниньо, который приносит дожди в пустыню Атакама и засуху в Индонезию. Второй тон звучит выше, с периодом 2,3 года, и в нём тёплое пятно возникает в центре океана, между двумя холодными зонами. Именно этот тон отвечает за «центральный» Эль-Ниньо, который особенно часто наблюдали в последние два десятилетия.

Смешивая два тона в разных пропорциях, можно получить любое событие. Если первый тон звучит громко, а второй тихо, рождается гигант вроде Эль-Ниньо 1997 года, который поднял температуру океана на три градуса. Если оба тона звучат почти одинаково, событие получается слабым и размазанным по всему бассейну.

Модель не просто описывает прошлое — она объясняет, почему Эль-Ниньо так нерегулярен. Внешние воздействия, такие как солнечный нагрев или случайные порывы ветра, действуют как рука гитариста, которая то сильнее, то слабее дёргает струну. Поэтому одни годы проходят спокойно, а в другие океан «звучит» оглушительно. Более того, модель предсказывает, что колебания распространяются по океану со скоростью около четверти метра в секунду — примерно как скорость неторопливого пешехода, и это совпадает с наблюдениями.

Когда-то Эль-Ниньо казался простым тёплым течением у берегов Перу. Теперь, благодаря этой струнной аналогии, он предстаёт как сложная симфония, в которой два тона сплетаются в бесконечные вариации. И если мы научимся слышать каждый тон по отдельности, то, возможно, однажды сможем предсказывать, какая мелодия зазвучит в следующем году.

Период второй моды ровно вдвое меньше первой, что напоминает обертоны в музыке: основной тон и его октава создают сложную мелодию климатических колебаний.

\frac{\partial^2 T'}{\partial t^2} = c^2 \frac{\partial^2 T'}{\partial x^2} + \frac{\partial Q'}{\partial t}
Аномалия температуры распространяется как волна со скоростью c, а внешний нагрев Q' действует как источник.
\omega_n = c \lambda_n = \frac{n \pi c}{L}
Частота колебаний каждой моды определяется скоростью волны и размером бассейна L; для n=1 период около 4.3 года, для n=2 — 2.3 года.
\omega^2 - 2 u k \omega - c^2 k^2 - i \alpha_k \omega = 0
Связывает частоту и волновое число; показывает, что волны затухают или растут в зависимости от знака коэффициента α_k, связанного с нагревом.
Понятия
энсо южная осцилляция эль-ниньо модель осциллятора с подзарядкой модель Джина–Тиммермана ла-нинья индекс Эль-Ниньо южная осцилляция ERSST многомерный индекс ЭНСО весенний барьер предсказуемости буйковые станции TAO/TRITON объём тёплой воды распространение экваториальных волн температура поверхности моря относительный они естественная изменчивость северное экваториальное противотечение вспышка западных ветров аномалия температуры поверхности моря волна кельвина