Введение
Инерциальные волны, возникающие во вращающихся жидкостях. Волны Россби, также известные как планетарные волны, представляют собой тип инерциальных волн, естественно возникающих во вращающихся жидкостях. Они были впервые идентифицированы американским метеорологом шведского происхождения Карлом Густавом Арвидом Россби в атмосфере Земли в 1939 году. Они наблюдаются в атмосферах и океанах Земли и других планет благодаря вращению Земли или соответствующей планеты. Атмосферные волны Россби на Земле – это гигантские меандры в высотных ветрах, оказывающие значительное влияние на погоду. Эти волны связаны с областями высокого и низкого давления и струйными течениями (особенно в районе полярных вихрей). Океанические волны Россби распространяются вдоль термоклина – границы между теплым верхним слоем и холодной глубоководной частью океана.
Rossby waves, also known as planetary waves, are a type of inertial wave naturally occurring in rotating fluids. They were first identified by Sweden born American meteorologist Carl Gustaf Arvid Rossby in the Earth's atmosphere in 1939. They are observed in the atmospheres and oceans of Earth and other planets, owing to the rotation of Earth or of the planet involved. Atmospheric Rossby waves on Earth are giant meanders in high altitude winds that have a major influence on weather. These waves are associated with pressure systems and the jet stream (especially around the polar vortices). Oceanic Rossby waves move along the thermocline: the boundary between the warm upper layer and the cold deeper part of the ocean.
Атмосферные волны
Атмосферные волны Россби возникают в результате сохранения потенциальной вихревности и испытывают влияние силы Кориолиса и градиента давления. Большинство исследований волн Россби посвящено волнам в атмосфере Земли. Волны Россби в атмосфере Земли легко наблюдать как (обычно 4–6) крупномасштабные изгибы струйного течения. Когда эти отклонения становятся особенно выраженными, отслаиваются массы холодного или теплого воздуха, формируя циклоны и антициклоны малой интенсивности соответственно, и определяющие повседневные погодные условия в средних широтах. Действие волн Россби частично объясняет, почему восточные окраины континентов в Северном полушарии, такие как северо-восток США и восточная Канада, холоднее Западной Европы на тех же широтах, а также почему летом Средиземноморье остается сухим (механизм Родвелла — Хоскинса).
Атмосферные волны, распространяющиеся к полюсам
Глубокая конвекция (перенос тепла) в тропосферу усиливается над очень теплыми поверхностями океана в тропиках, например, во время событий Эль-Ниньо. Это тропическое воздействие генерирует атмосферные волны Россби, которые распространяются к полюсам и на восток. Волны Россби, распространяющиеся к полюсам, объясняют многие наблюдаемые статистические связи между климатом низких и высоких широт. Одним из таких явлений является внезапное стратосферное потепление. Волны Россби, распространяющиеся к полюсам, являются важной и однозначной составляющей изменчивости в Северном полушарии, что проявляется в паттерне «Тихий океан – Северная Америка». Схожие механизмы действуют и в Южном полушарии, частично объясняя значительную изменчивость в районе моря Амундсена в Антарктиде. В 2011 году исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience с использованием моделей общей циркуляции, установило связь между волнами Россби в Тихом океане, генерируемыми повышением температуры в центральной части тропической зоны Тихого океана, и потеплением в районе моря Амундсена, что привело к зимнему и весеннему потеплению континентальных районов Земли Эллсворта и Земли Мари Берд в Западной Антарктиде за счет увеличения адвекции.
Волны Россби на других планетах
Атмосферные волны Россби, как и волны Кельвина, могут возникать на любой вращающейся планете, обладающей атмосферой. Y-образная структура облаков на Венере связывается с волнами Кельвина и Россби.
Океанские волны
Океанические волны Россби – это крупномасштабные волны в океаническом бассейне. Они имеют небольшую амплитуду, порядка сантиметров (на поверхности) до метров (на термоклине), по сравнению с атмосферными волнами Россби, амплитуда которых достигает сотен километров. Для пересечения океана им могут потребоваться месяцы. Они получают импульс от ветрового напряжения в поверхностном слое океана и, как считается, передают информацию об изменениях климата, обусловленных изменчивостью внешних факторов, таких как ветер и плавучесть. Считается, что внеэкваториальные волны Россби распространяются посредством восточно движущихся волн Кельвина, вызывающих апвеллинг у восточных пограничных течений, в то время как экваториальные волны Кельвина получают часть своей энергии от отражения волн Россби от западных пограничных течений. И баротропные, и бароклинические волны вызывают колебания уровня поверхности моря, однако из-за большой длины волн их обнаружение было затруднено до появления спутниковой альтиметрии. Спутниковые наблюдения подтвердили существование океанических волн Россби. Бароклинические волны также генерируют значительные смещения океанического термоклина, часто достигающие десятков метров. Спутниковые наблюдения зафиксировали медленное распространение волн Россби по всем океаническим бассейнам, особенно на низких и средних широтах. Вследствие эффекта Бета, время прохождения волн Россби увеличивается с широтой. Например, в Тихом океане волнам, движущимся по экватору, могут потребоваться месяцы, а ближе к полюсам – десятилетия. Волны Россби были предложены в качестве важного механизма, объясняющего нагрев океана на Европе, спутнике Юпитера.
Волны в астрофизических дисках
Нестабильности волн Россби также предполагаются в астрофизических дисках, например, вокруг формирующихся звезд.
Усиление волн Россби
Было предложено, что ряд региональных экстремальных погодных явлений в Северном полушарии, связанных с блокированными моделями циркуляции атмосферы, могли быть вызваны квазирезонансным усилением волн Россби. Примеры включают наводнения в Европе в 2013 году, наводнения в Китае в 2012 году, волну тепла в России в 2010 году, наводнения в Пакистане в 2010 году и волну тепла в Европе в 2003 году. Даже с учетом глобального потепления, волна тепла 2003 года была бы крайне маловероятна без подобного механизма. Обычно свободно распространяющиеся синоптические волны Россби и квазистационарные планетарные волны Россби существуют в средних широтах со слабыми взаимодействиями. Гипотеза, предложенная Владимиром Петуховым, Стефаном Рамсторфом, Стефаном Петри и Гансом Йоахимом Шеллнхубером, заключается в том, что при определенных обстоятельствах эти волны взаимодействуют, формируя стационарную картину. Для этого, по их мнению, зональное (восточно-западное) волновое число обоих типов волн должно находиться в диапазоне 6–8, синоптические волны должны задерживаться в тропосфере (чтобы энергия не рассеивалась в стратосфере), а волноводы средних широт должны удерживать квазистационарные компоненты синоптических волн. В этом случае планетарные волны могут необычно сильно реагировать на орографию и термические источники и стоки из-за "квазирезонанса". Исследование 2017 года, проведенное Манном, Рамсторфом и др., связало феномен антропогенного усиления Арктики с резонансом планетарных волн и экстремальными погодными явлениями.