Als je het pad van de jetstream kunt voorspellen, de golvende rivier van de wind in de bovenste atmosfeer, dan kun je het weer voorspellen - niet alleen voor een week of twee, maar voor een heel seizoen. Een nieuwe Stanford-studie gaat naar dat niveau van vooruitziendheid door een fysiek verband te onthullen tussen de snelheid en locatie van de straalstroom en de sterkte van de polaire vortex, een werveling van lucht die gewoonlijk boven het noordpoolgebied zweeft.

"De jetstream bepaalt alles, " zei Aditi Sheshadri, hoofdauteur en assistent-professor Earth System Science in de School of Earth, Energie, &Milieuwetenschappen (Stanford Earth). "Er rijden stormen langs. Ze werken ermee samen. Als de straalstroom verschuift, de plaats waar de stormen het sterkst zijn, zal ook verschuiven."

Het onderzoek, gepubliceerd in het Journal of Atmospheric Sciences, identificeert twee verschillende modi in hoe lucht binnen de straalstroom stroomt en de lagen van de atmosfeer die het insluiten.

Het diepe systeem van de atmosfeer

In één modus, veranderingen in windsnelheid en -richting beginnen dicht bij de evenaar in de troposfeer, de natte, stormachtige atmosfeerlaag onder de jetstream en het dichtst bij het aardoppervlak. Windverschuivingen in deze modus planten zich snel voort door de straalstroom en in de polaire vortex in het droge, bovenste laag van de atmosfeer die bekend staat als de stratosfeer.

In de andere modus, de kracht van de polaire vortex van de stratosfeer beïnvloedt het pad en de kracht van de jetstream - en hoe deze reageert op stormen in de troposfeer. In deze modus, de polaire vortex zendt een signaal helemaal naar het oppervlak als een puls. Een zwakkere vortex produceert een zwakke straalstroom die naar de evenaar glijdt; een sterkere vortex intensiveert de straalstroom terwijl deze poolwaarts wordt getrokken.

"Deze diepe verticale structuren zijn nog niet eerder getoond, "Zei Sheshadri. "Het is iets fundamenteels aan het systeem zelf." Haar analyse zou kunnen helpen bij het verklaren van de weersinvloeden op het oppervlak van een gebeurtenis die begin 2018 plaatsvond, toen de vortex zo verzwakte dat hij in tweeën scheurde - een fenomeen waarvan wetenschappers weten dat het tot twee maanden extreem weer naar West-Europa kan blazen. Tot nu, begrip van deze interacties is gebaseerd op observaties en statistische modellering in plaats van kennis van hun fysieke basis.

Deze modi kunnen de sleutel zijn tot het voorspellen van de langetermijneffecten van bepaalde veranderingen in het milieu op het aardoppervlak. Hoewel wordt aangenomen dat lucht in normale winters relatief onafhankelijk binnen de troposfeer en stratosfeer stroomt, uitgeputte ozon, hoge niveaus van broeikasgassen, opwarming van de oceaan, verminderde sneeuwbedekking, en andere verstoringen kunnen deze onafhankelijkheid rammelen, zowel de vortex als de jetstream op complexe manieren beïnvloeden. Uitstoot van broeikasgassen, bijvoorbeeld, kan de vortex versterken en tegelijkertijd golven stimuleren die zich vanuit de troposfeer voortplanten en de vortex verzwakken als ze breken.

"We weten niet welke van deze twee effecten van toenemende broeikasgassen het gaat winnen, ' zei Sheshadri.

Betere klimaatmodellen bouwen

Om antwoorden te vinden, Het team van Sheshadri wilde het klimaat begrijpen als een systeem dat op een voorspelbare manier reageert op bekende krachten, ondanks interne dynamiek die een mix is ​​van willekeurige en systematische fluctuaties. Ze namen een wiskundige stelling die bijna een eeuw werd gebruikt om schijnbaar willekeurig gedrag in kwantummechanische systemen te voorspellen en pasten deze toe op gegevens die de atmosfeer van de aarde in de winter vertegenwoordigen.

"We hebben 35 jaar windgegevens, "Zei Sheshadri. "Kunnen we alleen al uit die observaties iets zeggen over hoe de wind zal veranderen als, bijvoorbeeld, verhoog je kooldioxide? Dat is wat dit hele ding begon."

Huidige klimaatmodellen blinken uit in het weergeven van temperatuurveranderingen in de lagen van de atmosfeer in de loop van de tijd en met verschillende niveaus van stoffen zoals ozon of koolstofdioxide. "We zijn er vrij zeker van hoe de temperatuurstructuur van de atmosfeer zal veranderen, ' zei Sheshadri. 'Echter, als je kijkt naar veranderingen in zaken als wind of regen of sneeuw - alles wat een dynamische grootheid is - hebben we echt heel weinig idee van wat er aan de hand is."

En toch, dit zijn enkele van de meest levendige statistieken voor een veranderend klimaat. "Niemand voelt de wereldgemiddelde temperatuur, "Zei Sheshadri. "Hoe vaak zullen we de komende 10 jaar te maken krijgen met overstromingen of koudegolf in een bepaalde regio? Dat is het soort vraag dat dit zou kunnen helpen beantwoorden."

Door de fysieke processen bloot te leggen die ten grondslag liggen aan sommige van deze dynamische variabelen, de methode die in dit onderzoek is ontwikkeld, kan ook helpen om gebreken in klimaatmodellen weg te werken.

"De manier waarop we dit momenteel doen, is dat je een model neemt en het naar voren laat lopen, " het controleren van de voorspellingen van het model aan de hand van waargenomen gegevens, Sheshadri legde het uit. Maar veel modellen die op dezelfde historische gegevens zijn gebouwd, produceren verschillende voorspellingen voor de toekomst, deels omdat ze verschillende veronderstellingen maken over hoe de troposfeer en stratosfeer op elkaar inwerken en hoe de straalstroom fluctueert. Tot nu toe was er geen manier om die aannames te toetsen aan de werkelijke variabiliteit van de atmosfeer.

"We moeten er zeker van zijn dat de modellen kloppen, en om de juiste redenen, "Zei Sheshadri. Het nieuwe werk biedt een manier om die onzekerheid op te lossen - en om te anticiperen op stormen die maanden in de toekomst liggen.