Rossby-hullámok

A bolygóméretű hullámok többnyire a légköri Rossby-hullámokat jelentik. Ezek nem olyan hullámok, mint a tengeri hullámok, amelyekben egy vízfelszín fel-le mozog, hanem a teljes északi vagy déli félteke nyugati légáramlásának óriási, több ezer kilométeres kanyarulatai.

Egyszerűen:

A közepes szélességek nyugatias légáramlása nem egyenes körként futja körbe a Földet, hanem észak–déli irányban kígyózik. Ezek a kontinensnyi kanyarulatok a Rossby-hullámok.

Egy-egy hullámhossz gyakran 4000–5000 kilométer, a legnagyobb hullámokból pedig csak néhány fér el az egész félteke körül. (noaa.gov)

Mit kell elképzelni?

Felülnézetből nézzük az Északi-sark körüli légáramlást. A levegő alapvetően nyugatról kelet felé mozog, de közben hullámzik:

              ÉSZAK, hideg

          gerinc
             /\
            /  \
-----------/    \-----------
          \      /
           \____/
            teknő

              DÉL, meleg

Ahol a hullám északra domborodik, ott gerinc van:

• délről melegebb levegő jut északra;

• a magasban gyakran magasabb a légnyomási felület;

• a felszínen gyakran anticiklonális, szárazabb idő támogatott.

Ahol délre mélyed, ott teknő van:

• sarkvidéki vagy északi levegő jut délre;

• gyakoribbak a ciklonok és frontok;

• változékonyabb, hűvösebb, csapadékosabb idő alakulhat ki.

A hullám tehát folyamatosan meleg levegőt szállít a sarkok felé, hideget az Egyenlítő irányába, ezzel segítve a Föld hőmérsékleti különbségeinek mérséklését. (noaa.gov)

Miért alakulnak ki?

A két alapvető ok:

1. a Föld forog;

2. a forgás „hatása” nem ugyanakkora az Egyenlítőnél és a sarkoknál.

A szakmai kulcsszó a Coriolis-paraméter:

f = 2 Ω sin φ

ahol:

• Ω a Föld forgási szögsebessége;

• φ a földrajzi szélesség.

Az Egyenlítőnél φ = 0°, ezért sin φ = 0, vagyis a Coriolis-hatás függőleges összetevője közel nulla. A sarkok felé haladva egyre erősebbé válik. Ezt az észak–déli változást nevezik béta-hatásnak. Ez a Rossby-hullámok alapvető visszatérítő mechanizmusa. (oceanservice.noaa.gov)

Egy levegőcsomag példája

Tegyük fel, hogy egy levegőcsomagot valami észak felé térít.

Ahogy északabbra jut:

• erősebbé válik rá a Föld forgásából származó helyi Coriolis-hatás;

• a levegőcsomagnak ehhez alkalmazkodnia kell;

• saját örvényessége megváltozik;

• az áramlás visszakanyarítja.

Ha dél felé mozdul:

• gyengébb Coriolis-környezetbe kerül;

• ellenkező irányban változik a saját forgása;

• ismét kanyarodni kezd.

Így a zavar nem egyszerűen eltűnik, hanem hullámszerű észak–déli lengéssé válik.

A perdületmegmaradásos hasonlat

A jelenség egyik része hasonlít a pörgő műkorcsolyázóhoz:

• behúzott karral gyorsabban forog;

• kinyújtott karral lassabban.

A levegőcsomag földrajzi szélességének megváltoztatásakor szintén alkalmazkodnia kell a Föld forgástengelyétől mért távolság és a Coriolis-hatás változásához.

A légkörtanban azonban a pontosabb mennyiség nem egyszerűen a perdület, hanem a potenciális örvényesség, röviden PV.

Nagyon leegyszerűsítve:

potenciális örvényesség
≈ abszolút örvényesség / légréteg vastagsága

Súrlódás és erős hőközlés hiányában ezt a levegőcsomag közel megőrzi. Ha északabbra kerül, ahol nagyobb a bolygó forgásából eredő örvényesség, akkor saját relatív örvényességének kell csökkennie. Ettől kezd visszafordulni. A PV megmaradása a Rossby-hullámok korszerű magyarázatának központi eleme. (American Meteorological Society Journals)

Mi indítja el a hullámokat?

A légáramlás ritkán tökéletesen egyenes. Számos zavar eltérítheti:

• a Sziklás-hegység, a Himalája és más nagy hegységek;

• kontinensek és óceánok eltérő felmelegedése;

• nagy ciklonok és anticiklonok;

• trópusi zivatarzónák hőfelszabadulása;

• monszunrendszerek;

• El Niño és La Niña;

• visszakanyarodó trópusi ciklonok;

• tengeri jég, hóborítás és óceáni hőmérsékleti eltérések.

A hegység például mechanikusan felfelé és oldalra kényszeríti a nyugatias áramlást. A zavar a hegy mögött sem feltétlenül szűnik meg, hanem hullámsorként továbbterjedhet. A trópusi hőfelszabadulás pedig nagy magasságban szétterülő légáramlást hozhat létre, amely Rossby-hullámsort indít a közepes szélességek felé. (gfdl.noaa.gov)

A futóáramlás maga a Rossby-hullám?

Nem teljesen, de szorosan összetartoznak.

A futóáramlás, vagy jet stream, egy viszonylag keskeny, nagyon erős nyugati szélcsatorna a felső troposzférában, nagyjából 8–12 kilométer magasságban. A Rossby-hullám pedig ennek és a környező nagy léptékű áramlásnak a hullámzó alakja és dinamikája. (nesdis.noaa.gov)

Szemléletesen:

• a futóáramlás a gyorsan mozgó „szállítószalag”;

• a Rossby-hullám a szállítószalag óriási kígyózása.

De a hullám nem kizárólag a legnagyobb szélsebesség vékony vonalában létezik. Több kilométer vastag és több ezer kilométer széles légköri szerkezet.

Miért éppen nyugatról keletre fúj a magaslégköri szél?

A sarkvidék hidegebb, a trópusok melegebbek. Emiatt az azonos légnyomású felületek nem vízszintesek: a meleg levegőoszlop vastagabb, a hideg vékonyabb.

A magassággal növekvő észak–déli nyomáskülönbség, valamint a Coriolis-erő együtt erős nyugati szelet hoz létre. Ezt magyarázza a termikus szél összefüggése.

Minél erősebb az észak–déli hőmérsékleti különbség, annál erősebb lehet a magasban a nyugati áramlás és a jet stream. Ezért a téli futóáramlás általában erősebb, mint a nyári. (nesdis.noaa.gov)

A hullám és a levegő nem ugyanúgy halad

Ez az egyik legérdekesebb rész.

A levegő a jet streamben akár 150–300 km/h sebességgel is haladhat kelet felé. Maga a hullámforma közben:

• lassabban haladhat keletre;

• szinte egy helyben állhat;

• vagy a háttéráramláshoz képest nyugat felé terjedhet.

Hasonlatként képzelj el egy gyors folyót, amelyben egy álló örvény van egy hídpillér mögött:

• a vízmolekulák gyorsan áthaladnak;

• az örvény alakja mégis közel ugyanott marad.

A Rossby-hullámnál is átáramolhat a levegő a gerinceken és teknőkön, miközben a teljes hullámminta csak lassan változik.

Miért hajlamos a Rossby-hullám nyugat felé terjedni?

Egy nagyon leegyszerűsített, sekélyvízi Rossby-hullám fázissebessége:

cₓ = U − β / (k² + l²)

ahol:

• U a háttér nyugati szél kelet felé;

• β a Coriolis-hatás észak–déli változása;

• k és l a hullám kelet–nyugati és észak–déli hullámszámai.

A második tag negatív, tehát a hullám a környező levegőhöz viszonyítva nyugat felé próbál haladni.

A felszínhez képest ezért három eset lehetséges:

• ha U nagyon erős, a hullám keletre halad;

• ha a két tag kiegyenlíti egymást, a hullám állóvá válik;

• ha a nyugati terjedés erősebb, a hullám nyugat felé mozdul.

A valós légkör ennél sokkal bonyolultabb, de az alapelv megmarad.

Mi az a hullámszám?

A meteorológusok gyakran nem kilométerben, hanem zonális hullámszámban beszélnek.

Ez megmutatja, hány teljes hullám fér el egy szélességi kör mentén.

1-es hullámszám

Egy óriási gerinc és egy óriási teknő veszi körül a féltekét.

2-es hullámszám

Két gerinc és két teknő.

5-ös hullámszám

Öt nagy gerinc–teknő pár.

7–8-as hullámszám

Több, kisebb kanyarulat.

Általában:

• az 1–3-as hullámszám valóban bolygóméretű;

• a 4–7-es még mindig nagyon nagy léptékű;

• a rövidebb hullámok már inkább időjárási, szinoptikus zavarokhoz kapcsolódnak.

A közepes szélességeken jellemzően több, körülbelül 3–13 hullám is körbefuthatja a féltekét, bár ezek folyamatosan változnak és egymásra rakódnak. (news.ucar.edu)

Álló és haladó hullámok

Álló Rossby-hullám

A hullám gerincei és teknői hosszabb ideig közel azonos földrajzi helyen maradnak.

Ezek kialakulásában fontosak:

• a nagy hegységek;

• a kontinens–óceán hőmérsékleti kontraszt;

• tartós trópusi hőforrások.

Például Észak-Amerika és Eurázsia domborzata miatt a téli északi féltekén visszatérő, részben rögzített hullámminta alakul ki. A levegő átfúj rajta, de a hullám átlagos helyzete kevésbé mozdul.

Haladó Rossby-hullám

A gerinc–teknő rendszer kelet felé vonul, és vele együtt változik az időjárás:

gerinc → melegedés
teknő → lehűlés, frontok
következő gerinc → újabb melegedés

Kvázistacionárius hullám

Nem teljesen áll, de olyan lassú, hogy napokig vagy hetekig hasonló időjárást tart fenn ugyanazon a területen.

Ez okozhat tartós:

• hőhullámot;

• aszályt;

• hideghullámot;

• esőzést;

• árvízveszélyt.

Mi az a Rossby-hullámcsomag?

A légkörben gyakran nem egy szabályos, az egész bolygót körülölelő hullám látható, hanem egy hullámcsomag.

Példa:

Csendes-óceán
   kis hullám → erősödő hullám → nagy hullám → gyengülő hullám
                                                  Európa

Egy Észak-Amerika vagy a Csendes-óceán fölött kialakuló zavar hullámsorként továbbíthatja az energiáját az Atlanti-óceán és Európa felé.

Fontos különbség:

• az egyes gerincek és teknők esetleg lassan mozognak;

• a hullámenergia csomagja gyorsabban terjedhet kelet felé.

Olyasmi, mint a stadionban a közönséghullám:

• az emberek csak felállnak és leülnek;

• maga a hullám mégis végigfut a lelátón.

Ez magyarázza, hogy egy távoli csendes-óceáni esemény néhány nappal később módosíthatja Európa előrejelzését. A Rossby-hullámcsomagok egyszerre adhatnak előrejelezhetőséget és továbbíthatják a modellhibákat nagy távolságokra. (American Meteorological Society Journals)

Hogyan lesz egy kis zavarból nagy hullám?

A közepes szélességek légköre baroklinikusan instabil. Ez azt jelenti, hogy a vízszintes hőmérsékleti különbségekben tárolt potenciális energia átalakulhat ciklonok és hullámok mozgási energiájává.

A sarkvidéki hideg és a déli meleg levegő határán egy kezdeti kis kanyarulat:

1. meleg levegőt visz északra;

2. hideget délre;

3. tovább növeli a hullámot;

4. ciklon–anticiklon párokat alakít ki;

5. nagy gerinccé és teknővé fejlődhet.

Ezért a napi időjárási ciklonok és a nagyobb Rossby-hullámok nem függetlenek. A ciklonok táplálhatják, alakíthatják és továbbmozdíthatják a nagy hullámrendszert.

Mit jelent a hullám erősödése?

Kis amplitúdójú, úgynevezett zonális helyzet:

Nyugat → → → → → Kelet
       ~~~~~~~~~~~

A jet stream viszonylag egyenesen halad nyugatról keletre. Az időjárási rendszerek gyorsabban továbbvonulnak.

Nagy amplitúdójú, meridionális helyzet:

              észak
                /\
               /  \
nyugat → _____/    \_____ → kelet
             \      /
              \____/
               dél

Ilyenkor:

• sok meleg jut messze északra;

• sok hideg jut messze délre;

• a rendszerek lassabban mozoghatnak;

• nőhet a tartós időjárási szélsőségek kockázata.

De fontos: a hullámosabb jet stream nem mindig lassabb, és nem minden nagy hullám okoz blokkolást. A kapcsolat az áramlás sebességétől, a hullám alakjától, a háttér-PV-gradiens­től és más zavaroktól is függ. (OpenSky)

Mi a hullámtörés?

A Rossby-hullám bizonyos pontig rugalmasan kígyózik. Ha túlságosan felerősödik, a gerinc és a teknő megnyúlhat, majd „átbukhat”, hasonlóan egy megtörő tengeri hullámhoz.

Nem levegőfal zuhan le, hanem a légköri örvényességi és hőmérsékleti kontúrok:

• erősen megnyúlnak;

• visszahajlanak;

• összekeverednek;

• részben leválnak a főáramlásról.

Ebből létrejöhet:

• leszakadó hidegcsepp;

• elszigetelt meleg magasnyomás;

• tartós anticiklon;

• blokkolási helyzet;

• a jet stream két ágra szakadása.

A tudományos definícióban a Rossby-hullám törése a potenciális örvényességi vagy izentrópikus kontúrok visszafordulásával és visszafordíthatatlan keveredésével jár. (American Meteorological Society Journals)

Hogyan lesz belőle blokkoló anticiklon?

Normálisan a ciklonok és anticiklonok nyugatról keletre haladnak. Blokkoláskor egy nagy magasnyomású rendszer napokig vagy hetekig lényegében ugyanott marad, és eltéríti a megszokott ciklonpályákat.

Gyakori formák:

Ómega-blokk

A futóáramlás a görög Ω betűhöz hasonlít:

          magas nyomás
             /\
            /  \
     alacsony  alacsony

Középen tartós anticiklon, két oldalán teknők vagy ciklonok.

Rex-blokk

Északon magas nyomás, közvetlenül tőle délre alacsony nyomás. Ez a függőleges észak–déli elrendezés akadályozza a nyugat–keleti haladást.

Blokkoláskor ugyanaz a terület hosszabb ideig maradhat:

• forró és száraz;

• fagyos;

• vagy a blokk peremén ismétlődően csapadékos.

A „hőkupola” kapcsolata

A hőkupola nem különálló légköri objektum, hanem általában egy erős, tartós felsőszintű gerinc és hozzá kapcsolódó anticiklonális blokkolás köznyelvi neve.

A gerinc alatt:

1. levegő süllyed;

2. süllyedés közben összenyomódik és melegszik;

3. csökken a felhőképződés;

4. erős napsütés éri a felszínt;

5. a száraz talaj kevesebb energiát használ párologtatásra;

6. még több energia melegíti a levegőt.

A Rossby-hullám tehát létrehozhatja és helyben tarthatja azt a nagy gerincet, amelyben a hőkupola kialakul.

A gerinc egyik oldalán közben teknő lehet, ahol özönvíz vagy szokatlan hideg jelentkezik. Emiatt ugyanazon bolygóméretű hullámminta egyik területnek hőséget és aszályt, egy másiknak árvizet adhat.

Kapcsolat Kalifornia és Európa között

Egyetlen pillanatban elképzelhető például:

Kalifornia        Észak-Amerika       Atlanti-óceán       Európa
   teknő     →         gerinc      →      teknő      →    gerinc
  sok eső             meleg             viharok           aszály

Ez valódi, fizikailag összefüggő hullámsor lehet. A légkör egyik helyen északra, máshol délre kanyarodik.

Ez azonban nem jelenti azt, hogy:

• Kaliforniában azért esik, mert Európából „elszívta” a vizet;

• minden azonos időben bekövetkező szélsőségnek ugyanaz a hullám az oka;

• egy hullámminta több éven keresztül változatlan marad.

Az 1861–1862-es kaliforniai árvíz és az 1863-as európai aszály között ezért csak hosszabb időskálájú óceáni–légköri összefüggés képzelhető el; ugyanaz a konkrét Rossby-hullám nem élhetett fenn egy évig.

Hogyan érik el a sztratoszférát?

A nagy Rossby-hullámok bizonyos körülmények között nemcsak oldalirányban, hanem felfelé is terjeszthetnek energiát.

Ehhez általában szükséges:

• megfelelő erősségű nyugati sztratoszférikus szél;

• megfelelő hullámszám;

• olyan légköri szerkezet, amely nem nyeli el vagy veri vissza a hullámot.

A legnagyobb, 1-es és 2-es zonális hullámszámú, részben álló hullámok különösen hatékonyan juthatnak fel a téli sztratoszférába.

Ott:

1. kölcsönhatnak a sarki örvény nyugati szelével;

2. lefékezik azt;

3. impulzust adnak át a háttéráramlásnak;

4. süllyedő légmozgást indítanak a pólus felett;

5. a süllyedő levegő felmelegszik;

6. kialakulhat a hirtelen sztratoszférikus felmelegedés.

A sztratoszférikus poláris örvény gyengülése tehát gyakran nem önmagától kezdődik, hanem a troposzférából felfelé érkező bolygóméretű hullámok „ütéseitől”. A hullámterjedést és -törést ugyanakkor erősen szabályozza a sarki örvény szélének potenciálisörvényesség-gradiense. (American Meteorological Society Journals)

Miért főként télen történik ez?

Nyáron a sztratoszféra közepes és magas szélességein a háttérszél többnyire keleti irányú. Ez sok bolygóméretű Rossby-hullám felfelé terjedését akadályozza.

Télen erős nyugati sztratoszférikus szél alakul ki. Ebben bizonyos nagy hullámok felfelé tudnak haladni, amíg el nem érnek egy olyan szintet, ahol:

• megtörnek;

• elnyelődnek;

• vagy a háttérszéllel kölcsönhatásba lépnek.

Ezért a major SSW alapvetően az adott félteke téli jelensége.

Miért nehéz előre jelezni?

A Rossby-hullámok hatalmasak, de fejlődésük érzékeny a kisebb részletekre.

Egy észak-amerikai ciklon előrejelzési hibája megváltoztathatja:

• a következő gerinc erősségét;

• az Atlanti-óceán feletti teknő helyzetét;

• az európai blokk kialakulását;

• néhány nappal később Magyarország időjárását.

A hiba hullámcsomagként tovaterjedhet. Emiatt tíz nap körül már előfordulhat, hogy az egyik modell erős európai blokkot, a másik gyors nyugatias áramlást jelez. A Rossby-hullám és a jet stream pontos szerkezetének előrejelzése ezért meghatározó a középtávú prognózisokban. (American Meteorological Society Journals)

Egy teljes folyamat példája

Tegyük fel, hogy a Csendes-óceán nyugati részén nagyon erős trópusi zivatartevékenység alakul ki.

1. Erős trópusi hőfelszabadulás
             ↓
2. A magasban szétáramló levegő megzavarja a szubtrópusi jetet
             ↓
3. Rossby-hullámcsomag indul kelet felé
             ↓
4. Gerinc épül Észak-Amerika nyugati részén
             ↓
5. Teknő mélyül Észak-Amerika keleti részén
             ↓
6. Újabb gerinc épül az Atlanti-óceánon
             ↓
7. Európában blokk vagy teknő alakul ki
             ↓
8. Napokkal később jelentős hőhullám, hidegbetörés vagy csapadékos idő

Ez a telekapcsolat, vagyis amikor egymástól több ezer kilométerre lévő időjárási eltérések dinamikailag összekapcsolódnak. A kapcsolatot nem ugyanazon levegőcsomag végigutazása, hanem a hullámenergia és a kényszerhatás terjedése közvetíti. (staff.cgd.ucar.edu)

A lényeg

A bolygóméretű Rossby-hullám:

• a forgó Föld légkörének természetes jelensége;

• a nyugatias áramlás több ezer kilométeres kígyózása;

• a Coriolis-hatás földrajzi szélességgel való változásából ered;

• gerinceken keresztül meleg levegőt visz északra;

• teknőkön keresztül hideget délre;

• összeköti a távoli időjárási eseményeket;

• felerősödve blokkolást, hőkupolát, aszályt, hideghullámot vagy tartós esőzést támogathat;

• felfelé terjedve meggyengítheti a sztratoszférikus sarki örvényt és SSW-t válthat ki.

A legjobb szemléletes kép:

A jet stream a légkör bolygót körülölelő, gyors folyója, a Rossby-hullám pedig ennek az óriási folyónak a kontinensnyi kanyarulata. A levegő átfolyik rajta, miközben maga a kanyarulat más sebességgel haladhat, helyben maradhat, felerősödhet vagy megtörhet.