Dan Chavas z Uniwersytetu Purdue wykorzystuje modele komputerowe do badania, w jaki sposób zmiany geograficzne, takie jak spłaszczanie gór lub zmiana powierzchni mórz, mogą wpływać na występowanie tornad w Ameryce Północnej, dostarczając wglądu w czynniki klimatyczne powodujące trudne warunki pogodowe.
W cieplejszych miesiącach na Środkowym Zachodzie popularną rozrywką jest badanie nieba pod kątem oznak burz i tornad. Dan Chavas, profesor nadzwyczajny w Katedra Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach na Uniwersytecie Purdue Kolegium Naukidzie dalej. Poświęca swoje dni na zrozumienie mechaniki tornad. Pracując na styku nauk o klimacie i meteorologii, bada nadrzędne czynniki powodujące silne burze i tornada oraz dyktują ich lokalizację.
„Badam zarówno klimat, jak i ekstremalne warunki pogodowe” – mówi Chavas. „Moje badania pytają: «Dlaczego w ogóle mamy do czynienia z silnymi burzami lub tornadami?». Istnieją określone regiony na Ziemi, w których występuje więcej burz i tornad niż w innych miejscach. Co tworzy te burzliwe regiony?”
Środkowe i wschodnie regiony Stanów Zjednoczonych należą do miejsc, w których często występują silne burze i są gorącymi miejscami dla najbardziej szkodliwych i częstych tornad na Ziemi. Chavas wykorzystuje rzeczywiste modele komputerowe do przeprowadzania eksperymentów w celu ustalenia, co przyczynia się do powstawania tych burz.
„Od kilkudziesięciu lat mieliśmy założenia dotyczące przyczyn burz” – mówi. „Weryfikujemy te hipotezy i zastanawiamy się, co sprawia, że Ameryka Północna jest tak gorącym miejscem”.
Rozpakowywanie początków burzy
Chavas nie jest łowcą burz. Nie siedzi w furgonetce pogodowej zakończonej kablami satelitarnymi, polując na pojedyncze burze w poszukiwaniu informacji, jakie mogą dostarczyć. Nie może też wywoływać burz w swoim laboratorium ani wywoływać tornad, aby zrozumieć ich anatomię i zachowanie.
Zamiast tego wykorzystuje dziesięciolecia bogatych, szczegółowych danych historycznych i złożonych modeli komputerowych, aby wyobrazić sobie i przetestować scenariusze „co by było, gdyby”. Jest testerem burzy.
„Korzystamy z modeli pogodowych i klimatycznych, a także obszernych baz danych dotyczących burz, uderzeń piorunów, danych atmosferycznych i nie tylko, aby zadać sobie pytanie: «A co, gdyby świat był inny?»” – mówi Chavas. „Możemy wykorzystać te modele jako laboratoria do zadawania pytań typu: „Co stanie się z pogodą, jeśli spłaszczymy Góry Skaliste?” A co jeśli wypełnisz Zatokę Meksykańską? Jakie aspekty współczesnych konfiguracji kontynentalnych i górskich naprawdę mają znaczenie? Właściwie przetestujmy tę dominującą, konwencjonalną wiedzę”.
Obie te hipotezy – spłaszczenie Gór Skalistych i wypełnienie Zatoki Meksykańskiej – są przedmiotem badań przeprowadzonych przez Chavasa i jego zespół.
Postępy w modelowaniu pogody
Przez ponad 50 lat panowała opinia, że Zatoka Meksykańska, źródło ciepłego, wilgotnego powietrza napływającego w głąb lądu na wschód od Gór Skalistych, odgrywa główną rolę w powstawaniu tornad w Ameryce Północnej. Ale nikt nie wiedział tego na pewno.
„To była bardzo rozsądna hipoteza” – mówi Chavas. „Było wiele bardzo rozsądnych wyjaśnień. Jednak nikt nie był w stanie przetestować tych 50-letnich pomysłów, ponieważ powstały, gdy nie było modeli klimatycznych o niezbędnej mocy obliczeniowej. Teraz naprawdę możemy zacząć rozumieć fizykę sytuacji.
Kiedy jego zespół praktycznie wypełnił Zatokę Meksykańską z lądem odkryli, że sucha Zatoka Meksykańska miała znacznie mniejszy wpływ na częstotliwość i intensywność burz, niż oczekiwano. Bez Zatoki Meksykańskiej silne burze przesunęły się na wschód z centralnych Wielkich Równin do Illinois, chociaż w południowym Teksasie zostały zmniejszone.
„Poważne burze i tornada powstają w środowiskach, w których występują specyficzne czynniki wpływające na zmianę temperatury, wilgotności, a zwłaszcza prędkości i kierunku wiatru wraz z wysokością atmosfery” – mówi Chavas. „Klimat określa, gdzie i kiedy można znaleźć te składniki, które powodują tego typu burze. Modele komputerowe pozwalają nam zrozumieć, dlaczego składniki w ogóle się tam znajdują i jaką rolę odgrywają w obserwowanej przez nas pogodzie.
Porównanie potencjału tornada na kontynentach
W jego najnowszym badaniu przeprowadzonym ze studentem Funingiem Li, opublikowanym niedawno w czasopiśmie „ Postępowanie Narodowej Akademii Naukzespół porównał potencjał trudnych warunków pogodowych w Ameryce Północnej, słynącej z tornad, z Ameryką Południową, której położenie geograficzne jest podobne do Ameryki Północnej i gdzie występuje wiele groźnych burz, ale jest ich znacznie mniej. Ich badania zostały sfinansowane przez Narodową Fundację Nauki i NASA.
Odkryli, że szorstka tekstura powierzchni lądu na wschód od Andów, o której szorstkość wynika częściowo ze wzgórz i wysokich drzew w regionie Amazonii, może odgrywać dużą rolę w zapobieganiu tornadom nad środkową Ameryką Południową. Z kolei w Ameryce Północnej wiele tornad powstaje na wschód od Gór Skalistych, gdzie powietrze napływa ze znacznie gładszej powierzchni oceanu Zatoki Meksykańskiej. Zespół najpierw wykorzystał eksperymenty z modelami klimatycznymi, w których równikowa Ameryka Południowa została wygładzona tak, aby przypominała powierzchnię oceanu, co drastycznie zwiększyło potencjał tornad w środkowej Ameryce Południowej. Przeprowadzili także eksperymenty, podczas których obszar Zatoki Meksykańskiej został szorstkowany, aby przypominał zalesioną powierzchnię lądu, co silnie tłumiło potencjał tornad w Ameryce Północnej.
„Chropowata powierzchnia powyżej powierzchni rzeki oznacza, że wiatr w dole rzeki nie zmienia już prędkości i kierunku wraz z wysokością w pobliżu powierzchni, co nazywamy „uskokiem wiatru”” – mówi Chavas. „Nie zmienia to składników silnych burz, ale uskok wiatru na wysokości 1 kilometra nad ziemią jest kluczowym składnikiem tornad”.
Konsekwencje dla przyszłych wzorców pogodowych
Prawdziwa pogoda i zastosowania w świecie rzeczywistym fascynują Chavasa, a fascynacja zrodziła się po tym, jak drzewo zniszczone przez burzę spadło na jego dom w Wisconsin, gdy miał 4 lata. Implikacje jego badań w świecie rzeczywistym – jaka będzie pogoda w przyszłym tygodniu, następnym miesiącu, przyszłym roku i następnym stuleciu – są tym, co go motywuje.
„Jeśli chcemy zrozumieć, jak zmiany klimatyczne będą wpływać na pogodę w przyszłości, musimy przede wszystkim zrozumieć, w jaki sposób klimat determinuje pogodę” – mówi Chavas. „Nie bardzo rozumiemy, w jaki sposób klimat kontroluje trudną pogodę, z którą mamy do czynienia”.
Zrozumienie, w jaki sposób chropowatość powierzchni i użytkowanie gruntów zmieniają pogodę, może umożliwić przyszłym ludziom lepsze przewidywanie – a nawet częściowe wpływanie – na wzorce pogodowe. Jeśli nierówne tereny Amazonii, w tym składniki drzew Amazonii, chronią Amerykę Południową przed tornadami, czy odrastanie wschodnich lasów Stanów Zjednoczonych również może mieć wpływ na tornada?
Chavas twierdzi, że zmiany klimatyczne wpływają na wzorce przepływu atmosfery i rozkład wilgoci na lądzie.
„Jeśli zmienimy powierzchnię lądu i trajektorię powietrza napływającego w głąb lądu z Zatoki Meksykańskiej, może to mieć bezpośredni wpływ na te składniki, które powodują powstawanie tornad w głębi lądu. Kiedy myślimy o zmianie klimatu, myślimy o tym, że robi się coraz cieplej, a ziemia staje się coraz bardziej sucha. Ale jeśli strumień odrzutowy zmieni miejsce i szybkość przepływu powietrza w głąb lądu, może zmienić miejsce i sposób powstawania tornad. Miejsca, w których ich wcześniej nie było, mogą zobaczyć je częściej, a miejsca, w których było ich więcej, mogą zobaczyć mniej” – mówi. „Musimy poznać pogodę już teraz, aby móc lepiej przewidywać pogodę w przyszłości”.
Odniesienie: „Chropowatość powierzchni i ukształtowanie terenu w górnym biegu rzeki są silnymi czynnikami wpływającymi na kontrast w potencjale tornad między Ameryką Północną i Południową”, Funing Li, Daniel R. Chavas, Brian Medeiros, Kevin A. Reed i Kristen L. Rasmussen, 18 czerwca 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2315425121
