ティファニー・ショー教授、シカゴ大学地球科学科教授
南半球は非常に混乱した場所です。さまざまな緯度の風は「轟音40度」、「猛烈な50度」、「叫び声60度」と表現されています。波はなんと 78 フィート (24 メートル) まで達します。
誰もが知っているように、北半球には、南半球の激しい嵐、風、波に匹敵するものはありません。なぜ？
米国科学アカデミー紀要に掲載された新しい研究で、同僚と私は、北半球よりも南半球で嵐がより一般的である理由を明らかにしました。
観測、理論、気候モデルから得られたいくつかの証拠を組み合わせた我々の結果は、地球規模の海洋「コンベヤーベルト」と北​​半球の大きな山々の基本的な役割を示しています。
また、時間の経過とともに、南半球の嵐は激しさを増したが、北半球の嵐は激しかったことも示した。これは地球温暖化の気候モデルモデリングと一致しています。
嵐が強くなると、極端な風、気温、降雨などのより深刻な影響が生じる可能性があることがわかっているため、これらの変化は重要です。
長い間、地球上の気象観測のほとんどは陸上から行われていました。これにより、科学者たちは北半球の嵐の明確な状況を把握することができました。しかし、国土の約 20 パーセントを占める南半球では、1970 年代後半に衛星観測が可能になるまで、嵐の明確な状況を把握することはできませんでした。
衛星時代が始まって以来の数十年間の観測から、南半球の嵐は北半球よりも約 24% 強いことがわかっています。
これは下の地図に示されており、1980 年から 2018 年までの南半球 (上)、北半球 (中央) とそれらの差 (下) で観測された年間平均暴風雨強度を示しています。 (南極点は であることに注意してください)最初と最後のマップの比較の上部。)
この地図は、南半球の南極海で嵐の強度が継続的に高く、北半球の太平洋と大西洋（オレンジ色の網掛け）に嵐が集中していることを示しています。差分マップは、ほとんどの緯度で北半球よりも南半球の方が嵐が強いことを示しています (オレンジ色の網掛け)。
さまざまな理論が存在しますが、両半球の嵐の違いについて決定的な説明を提供する人はいません。
原因を究明するのは至難の業のようです。大気のような数千キロメートルにわたるこのような複雑なシステムを理解するにはどうすればよいでしょうか?私たちは地球を瓶に入れて研究することはできません。しかし、これはまさに気候物理学を研究する科学者が行っていることです。私たちは物理法則を応用し、それを使って地球の大気と気候を理解しています。
このアプローチの最も有名な例は、「地球温暖化の信頼性の高い予測」により 2021 年ノーベル物理学賞を受賞した真鍋修郎博士の先駆的な業績です。その予測は、最も単純な 1 次元の温度モデルから本格的な 3 次元モデルに至るまで、地球の気候の物理モデルに基づいています。これは、さまざまな物理的複雑さのモデルを通じて、大気中の二酸化炭素レベルの上昇に対する気候の反応を研究し、根底にある物理現象から現れるシグナルを監視します。
南半球の嵐をさらに理解するために、私たちは物理学に基づいた気候モデルからのデータを含むいくつかの証拠を収集しました。最初のステップでは、エネルギーが地球全体にどのように分布するかという観点から観測を研究します。
地球は球体であるため、その表面は太陽からの不均一な日射を受けます。エネルギーのほとんどは、太陽光線がより直接地表に当たる赤道で受け取られ、吸収されます。対照的に、急な角度で光が当たるポールは、より少ないエネルギーを受け取ります。
数十年にわたる研究により、嵐の強さはこのエネルギーの違いから来ていることが示されています。本質的に、この差に蓄えられた「静的」エネルギーを運動の「運動的」エネルギーに変換します。この移行は、「圧クリニック不安定性」として知られるプロセスを通じて発生します。
この見解は、両半球は同じ量の太陽光を受けているため、入射太陽光では南半球で嵐が多いことを説明できないことを示唆しています。その代わりに、私たちの観測分析は、南と北の間の嵐の強さの違いは 2 つの異なる要因による可能性があることを示唆しています。
まず、「ベルトコンベア」と呼ばれることが多い海洋エネルギーの輸送です。水は北極付近で沈み、海底に沿って流れ、南極付近で上昇し、エネルギーを伴って赤道に沿って北に戻ります。最終的な結果は、南極から北極へのエネルギーの伝達です。これにより、北半球よりも南半球の赤道と極の間に大きなエネルギーコントラストが生じ、その結果、南半球でより激しい嵐が発生します。
2 番目の要因は、真鍋の以前の研究が示唆したように、北半球にある大きな山々が嵐を弱めることです。大きな山脈を越える気流は一定の高低を生み出し、嵐に利用できるエネルギーの量を減らします。
しかし、あまりにも多くの要因が同時に作用し相互作用するため、観察データの分析だけではこれらの原因を確認することはできません。また、個々の原因を除外してその重要性をテストすることはできません。
これを行うには、気候モデルを使用して、さまざまな要因が取り除かれたときに嵐がどのように変化するかを研究する必要があります。
シミュレーションで地球の山を滑らかにすると、半球間の嵐の強さの差は半分になりました。海のベルトコンベアを取り除くと、嵐の差の残りの半分はなくなりました。このようにして、南半球の嵐の具体的な説明が初めて明らかになりました。
嵐は異常な風、気温、降水量などの深刻な社会的影響を伴うため、私たちが答えなければならない重要な問題は、将来の嵐がより強くなるのか、それとも弱くなるのかということです。
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社会が気候変動の影響に対処できるように準備するための重要なツールは、気候モデルに基づいた予測を提供することです。新しい研究は、平均的な南半球の嵐が今世紀末に向けてより激しさを増すことを示唆している。
それどころか、北半球における嵐の年間平均強度の変化は穏やかであると予測されています。これは、熱帯地方の温暖化によって嵐が強くなり、北極地方の急速な温暖化によって嵐が弱くなるという季節的影響が競合していることが部分的に原因となっている。
しかし、今、ここの気候は変化しています。過去数十年間の変化を見ると、南半球では年間を通じて平均的な嵐がより激しくなっているのに対し、北半球ではその変化は無視できるほどであり、同時期の気候モデルの予測と一致していることがわかります。 。
モデルは信号を過小評価していますが、同じ物理的な理由で変化が発生していることを示しています。つまり、海洋の変化により嵐が増加します。これは、暖かい水が赤道に向かって移動し、それと入れ替わるために冷たい水が南極周辺の表面にもたらされ、その結果、赤道と極の間のコントラストが強くなるからです。
北半球では、海洋の変化が海氷と雪の減少によって相殺され、北極でより多くの太陽光を吸収し、赤道と極の間のコントラストが弱まります。
正しい答えを得るリスクは高くなります。今後の研究では、モデルが観測信号を過小評価する理由を特定することが重要ですが、適切な物理的理由から正しい答えを得ることも同様に重要です。
Xiao、T.ら。(2022) 地形と海洋循環による南半球の嵐、アメリカ合衆国科学アカデミー紀要、doi: 10.1073/pnas.2123512119
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