Proučavajući malo poznate zemljine i sunčeve Rosbijeve talase, naučnici se nadaju da će bolјe razumeti promene životne sredine i klime poznate kao „svemirsko vreme“, koje utiču na sve, od TV prenosa i električnih mreža do GPS sistema i vojnih satelita. Šta su Rosbijevi talasi i kako deluju na vremenske (ne)prilike?

Karl-Gustaf Arvid Rosbi bio je meteorolog, rođen u Švedskoj, koji je iza sebe ostavio prilično nasleđe. Rođen je u Stokholmu, gde se u toku studija zainteresovao za matematičku fiziku, da bi svoje studije nastavio u Lajpcigu. Godine 1925. Rosbiju je dodelјena stipendija Švedsko-američke fondacije “za proučavanje primene teorije polarnog fronta na američko vreme”. U Američkom meteorološkom birou u Vašingtonu, kombinovao je teorijski rad na atmosferskim turbulencijama sa uspostavlјanjem prve meteorološke službe za civilno vazduhoplovstvo. Godine 1928. postao je vanredni profesor na Odseku za aeronautiku Masačusetskog tehnološkog instituta (MIT). Ubrzo nakon toga MIT je pokrenuo prvo odelјenje za meteorologiju u SAD. Godine 1931. postao je i naučni saradnik na Okeanografskoj instituciji Vuds Hol. Nјegovi interesi u to vreme su se kretali u području atmosferske termodinamike, turbulencija, kao i interakcija između okeana i atmosfere.

Rosbi je Drugi svetski rat proveo obučavajući naučnike za američku vojsku i dajući dalekovidna upozorenja o klimatskim promenama. Iako je umro 1957. godine, ime tog čoveka i dalјe živi u fenomenu koji je otkrio tokom turbulentnih 1930-ih, tzv. Rosbijevim talasima, koji se takođe nazivaju i “planetarni talasi”, jer imaju ogroman uticaj na našu atmosferu i okeane.

Kako pišu Džejms R. Holton i Gregori Dž. Hakim u svojoj knjizi „Uvod u dinamičku meteorologiju“, Rosbijevi talasi su „tip talasa koji je od najveće važnosti za meteorološke procese velikih razmera“. One utiču na sve, od plime do ekstremnih vremenskih (ne)prilika. I upravo se to dešava na Zemlјi i ne samo na njoj nego i na Suncu, koje doživlјava sopstvene Rosbijeve talase i u atmosferi Venere i Jupitera.

Teorija fluida

Da bi se definisali Rosbijevi talasi potrebno je poznavati teoriju fluida i tečnosti. Naime, svaka tekuća supstanca koja se stalno deformiše naponima (poput trenja) koji deluju na njenu površinu u paralelnom pravcu smatra se tečnošću. Prema ovoj odrednici, sam vazduh je tečnost, zajedno sa našim vlažnim i divnim okeanima.

Pravi Rosbi talas mora da ispuni neke specifične kriterijume. Kao prvo, ovi talasi se javlјaju samo unutar barotropnih tečnosti – kategorije tečnosti čija je gustina funkcija pritiska. Takođe, Rossbi talasi su prirodni nusproizvodi Koriolisovog efekta, što je pojava zakrivljenja pravolinijske putanje objekta koji se kreće u rotirajućem koordinatnom sistemu.

Koriolisov efekat je dobio ime po Gasparu-Gustavu Koriolisu, francuskom naučniku, koji je pojavu opisao 1835. godine, matematički obrađujući jednačinu plimnog talasa naučnika Laplasa iz 1778. godine. Jedan od vidljivih primera je skretanje vetra udesno na Severnoj hemisferi i levo na Južnoj hemisferi. Efekat je posledica rotacije Zemlje i uzrok je pravca rotacije ciklona. Posledica takve pojave je da vetrovi koji na severnoj hemisferi skreću udesno, stvaraju ciklone koji se kreću oko centra rotacije suprotno kretanju kazaljke na satu. Na Južnoj hemisferi vetrovi skreću ulevo i stvaraju ciklone koji se kreću oko centra rotacije u pravcu kazaljke na satu.

Koriolisov efekat je, takođe, odgovoran za smer okretanja vode koja ističe iz kade. Prema ovome se voda uvek okreće na jednu stranu na severnoj hemisferi, a suprotan smer ima na južnoj hemisferi.

Vrtloženje fluida

Međutim, suprotno onome što kažu urbane legende o vrtlogu vode pri isticanju, Koriolisov efekat nema mnogo veze sa načinom na koji voda stvara vrtlog. Prvenstveno je bitna geometrija kade, toaleta, odvoda i cevi kao i geometrija toka vode kad se prvobitno pusti da teče. Kada se voda pusti da teče, brzina vrtloženja se povećava u zavisnosti od udalјenosti od odvoda zbog očuvanja ugaonog momenta (razlog zašto npr. klizač skuplјa ruke da bi se brže okretao). Kao što je prikazano u obrazovnom video materijalu koji je snimio Ašer Šapiro 1961. godine, ovo može otkriti efekte Koriolisove sile na smer vrtloženja, ali samo pod kontrolisanim laboratorijskim uslovima.

Ono što se zapravo dešava uklјučuje način na koji se neki objekti kreću kada putuju preko rotirajućeg tela, poput Zemlјe ili Sunca. Naš svet rotira na istok oko sopstvene ose, nevidlјive linije koja preseca planetu, spajajući severni i južni pol. Takođe, Zemlјa je mnogo deblјa oko ekvatora nego na oba pola. Dakle, po potrebi, dok se planeta okreće, njeni ekvatorijalni regioni se okreću većom brzinom nego na većim geografskim širinama.

Svaki put kada stojite na ekvatoru, vi – i tlo ispod vaših nogu – okrećete se ka istoku brzinom od skoro 1.670 kilometara na sat. Ali kada stojite u arktičkom gradu Utkiagvik na Alјasci, na geografskoj širini od 71 stepen iznad ekvatora, vaša brzina okretanja ka istoku će se smanjiti na samo 550 kilometara na sat. Ta razlika objašnjava zašto se čini da objekti u vazduhu koji putuju u pravcu sever-jug skreću sa kursa umesto da se kreću pravolinijski.

„Rosbijevi talasi postoje zbog Koriolisovog efekta“, kaže Mausumi Dikpati, viši naučnik, modelar i teorijski solarni fizičar u Opservatoriji za velike visine (HAO) sa sedištem u Koloradu. “Kad ne bi bilo rotacije, ne bi bilo ni Rosbijevih talasa.”

Na Zemlјi, Rosbijevi talasi se javlјaju u našoj atmosferi i u našim okeanima. Naučnici znaju za atmosferske Rosbijeve talase od 1939. godine, dok su okeanski Rosbijevi talasi prvi put primećeni davne 1977. godine. Oni imaju mnogo toga zajedničkog. Dikpati kaže da su oba uzrokovana „delovanjem Koriolisovih sila“.

Drugi faktor koji doprinosi talasima je Sunce. Umesto da ravnomerno zagreva našu planetu, sunčeva svetlost zagreva ekvator brže od umerenih zona i polova. Dakle, Zemlјa ima prirodni temperaturni gradijent zasnovan na geografskoj širini.

Sledeći faktor su vetrovi, na čiju snagu i pravac može duboko uticati njihova visina. „Atmosferski Rosbi talasi su pobuđeni nestabilnošću temperaturnog gradijenta geografske širine i vertikalnog gradijenta vetra, dok okeanski Rosbi talasi mogu biti pobuđeni i time i efektima vetra na površini okeana“, objašnjava Dikpati. Kada se ovi talasi dešavaju u okeanu, obično su manjeg obima od Rosbi talasa u našoj atmosferi. Štaviše, Dikpati kaže da su okeanski Rosbijevi talasi „ograničeni na okeanske basene, dok se atmosferski talasi šire oko Zemlјe“.

Između ostalog, Dikpatijeva proučava formiranje i ponašanje Rosbijevih talasa na suncu. „Solarni Rosbi talasi su prvi put primećeni u kretanju magnetnih struktura u solarnoj koroni“, kaže ona. Za podsećanje, korona je produžena spolјašnja atmosfera Sunca, svetao krug koji na Zemlјi vidimo iza Meseca tokom potpunog pomračenja Sunca.

Porast plime

Rosbijevi morski talasi se ne mogu posmatrati golim okom dok se stoji na licu planete, ali na sreću naučnika, veštački sateliti mogu da prate njihovo kretanje. Na malim geografskim širinama, možda će im trebati više meseci do godinu dana da pređu Tihi okean, prema Nacionalnoj administraciji za okeane i atmosferu (NOAA) SAD.

Dalјe od ekvatora, pacifički Rosbi talasi mogu da putuju tempom koji je još ležerniji, ponekad zahtevajući deceniju ili više da pređu najveći svetski okean.

Uprkos njihovoj sporosti, Rosbi talasi nisu nešto što bi priobalne zajednice trebalo da ignorišu. Oni mogu učiniti plimu većom nego obično, pa nije iznenađujuće da su talasi često povezani sa teškim poplavama. Cele obale mogu biti pogođene; nadolazeći Rosbi talasi mogu da podignu nivo vode na nekoliko stotina kilometara obale okeana u periodu od nekoliko meseci – izazivajući pustoš na lokalnoj infrastrukturi.

Studija iz 2018. otkrila je da Rosbi talasi mogu uzrokovati da se nivo mora na obali podigne za preko 10 centimetara, što ne izgleda mnogo, iako u svetu skoro 40 procenata stanovništva živi u pojasu od oko 100 kilometara od mora i okeana.

Strujanje vazduha

Mlazni tokovi ili struje su još jedno zanimljivo područje vezano za Rosbi talase. To su pojasevi jakog vetra koji uglavnom duvaju od zapada ka istoku širom sveta. Oni utiču na vremenske prilike, putovanje avionom i mnoge druge stvari koje se dešavaju u našoj atmosferi. Zemlјa ima četiri primarne mlazne struje: dve polarne, blizu severnog i južnog pola, i dve subtropske bliže ekvatoru.

Mlazne struje nastaju kada se tople vazdušne mase sretnu sa hladnim vazdušnim masama u atmosferi. Sunce, kao što je poznato, ne zagreva celu Zemlјu ravnomerno. Zbog toga su oblasti blizu ekvatora tople, a oblasti blizu polova hladne. Kada se Zemlјine toplije vazdušne mase sretnu sa hladnijim vazdušnim masama, topliji vazduh se podiže naviše u atmosferu, dok hladniji vazduh tone naniže kako bi zamenio topli vazduh. Ovo kretanje stvara vazdušnu struju, ili vetar. Mlazni tok je vrsta vazdušne struje koja se formira visoko u atmosferi.

Formirane na konvergentnim granicama toplih i hladnih vazdušnih masa, mlazne struje su brze struje. Oni krstare kroz našu atmosferu otprilike 8 do 14,4 kilometara iznad površine planete, putujući prosečnom brzinom od 177 kilometara na čas.

„Talasi u mlaznom toku, kako ih vidimo na vremenskim mapama, usko su povezani sa Rosbijevim talasima“, kaže Dikpati. “Oni stupaju u interakciju sa srednjim istočno-zapadnim vetrovima da bi proizveli talasne obrasce koje vidimo, kao i velike promene u vremenu koje osećamo. Ova interakcija je u osnovi modernih numeričkih modela predviđanja vremena.”

Naučnici su dokumentovali “ekstremne toplotne talase” u Evropi tokom 2003, 2010. i 2015. godine. Svaki od tih događaja je povezan sa nizom Rosbijevih talasa koji su vijugali kroz suptropski mlazni tok severne hemisfere.

Talasi koji se valjaju mogu zaustaviti vremenske sisteme visokog ili niskog pritiska, ograničavajući njihovo kretanje na duge periode. Pod pogrešnim okolnostima, to može izazvati prirodne krize poput poplava i suša. Još 2018. godine, aktivnost Rosbijevih talasa bila je umešana i u japanske iznenadne poplave i u severnoameričke toplotne talase.

Takvi događaji mogu imati globalne posledice. Studija iz 2020. objavlјena u časopisu “Nature Climate Change” tvrdi da Rosbijevi talasi mogu predstavlјati veliku pretnju međunarodnoj bezbednosti hrane. Nije teško zamisliti da vrućine izazvane ovim talasima smanjuju proizvodnju useva za čak 11 posto u regionima koji su postali klјučni za snabdevanje hranom u svetu.

Da li su klimatske promene izazvane samo delovanjem naše civilizacije i globalnog zagrevanja ili zahlađenja, o kojima se spore naučnici, ili su izazvane nekim drugim faktorima, kao što su Rosbijevi talasi, koji se (ne)namerno zanemaruju,  i pojačana radijacija Sunca nama laicima ostaje samo da nagađamo.