Các nhà lập mô hình thời tiết và khí hậu hiểu khá rõ gió theo mùa và các dòng hải lưu ảnh hưởng đến mô hình El Niño ở phía đông xích đạo Thái Bình Dương, tác động đến thời tiết trên khắp Hoa Kỳ và đôi khi trên toàn thế giới.
Nhưng các mô phỏng máy tính mới cho thấy rằng một yếu tố thúc đẩy các chu kỳ thời tiết hàng năm ở khu vực đó — cụ thể là, một dải nước bề mặt lạnh giá kéo dài về phía tây dọc theo đường xích đạo từ bờ biển Nam Mỹ — đã không được nhận ra: khoảng cách thay đổi giữa Trái đất và Trái đất. mặt trời.
Mặt khác, lưỡi lạnh ảnh hưởng đến Dao động El Niño-Nam (ENSO), tác động đến thời tiết ở California, phần lớn Bắc Mỹ và thường là trên toàn cầu.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu thử nghiệm một thế hệ kính hiển vi lượng tử mới.
Khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi chậm trong suốt cả năm vì quỹ đạo của Trái đất có hình elip. Hiện tại, ở điểm tiếp cận gần nhất — điểm cận nhật — Trái đất cách mặt trời khoảng 3 triệu dặm so với điểm xa nhất, hay điểm viễn nhật. Kết quả là, ánh sáng mặt trời ở điểm cận nhật mạnh hơn khoảng 7% so với ở điểm viễn nhật.
Nghiên cứu do Đại học California, Berkeley dẫn đầu, chứng minh rằng sự thay đổi nhỏ hàng năm về khoảng cách của chúng ta với mặt trời có thể có tác động lớn đến chu kỳ hàng năm của lưỡi lạnh. Điều này khác với ảnh hưởng của độ nghiêng trục của Trái đất đối với các mùa, hiện được hiểu là gây ra chu kỳ hàng năm của lưỡi lạnh.
Trưởng nhóm nghiên cứu John Chiang, giáo sư địa lý UC Berkeley cho biết, do thời gian của chu kỳ hàng năm phát sinh từ các hiệu ứng độ nghiêng và khoảng cách hơi khác nhau nên các hiệu ứng kết hợp của chúng cũng thay đổi theo thời gian.
“Điều kỳ lạ là chu kỳ hàng năm từ hiệu ứng khoảng cách dài hơn một chút so với hiệu ứng nghiêng — hiện tại là khoảng 25 phút — vì vậy trong khoảng thời gian khoảng 11.000 năm, hai chu kỳ hàng năm chuyển từ cùng pha sang lệch pha. kết quả là tính thời vụ ròng trải qua một sự thay đổi đáng chú ý,” Chiang nói.
Chiang lưu ý rằng hiệu ứng khoảng cách đã được tích hợp vào các mô hình khí hậu – mặc dù hiệu ứng của nó đối với vùng xích đạo Thái Bình Dương chưa được công nhận cho đến nay – và những phát hiện của ông sẽ không làm thay đổi dự đoán thời tiết hoặc dự báo khí hậu. Nhưng chu kỳ pha 22.000 năm có thể có những tác động lịch sử, lâu dài. Chẳng hạn, tuế sai quỹ đạo của Trái đất được biết là đã ảnh hưởng đến thời gian của các kỷ băng hà.
Hiệu ứng khoảng cách – và sự thay đổi 22.000 năm của nó – cũng có thể ảnh hưởng đến các hệ thống thời tiết khác trên Trái đất. ENSO, cũng bắt nguồn từ vùng xích đạo Thái Bình Dương, có khả năng bị ảnh hưởng vì hoạt động của nó gắn liền với chu kỳ mùa lạnh.
Alyssa Atwood, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại UC Berkeley, hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học bang Florida ở Tallahassee, cho biết: “Lý thuyết cho chúng ta biết rằng chu kỳ theo mùa của lưỡi lạnh đóng vai trò chính trong việc phát triển và chấm dứt các sự kiện ENSO. “Do đó, nhiều đặc điểm chính của ENSO được đồng bộ hóa với chu kỳ theo mùa.”
Ví dụ, các sự kiện ENSO có xu hướng đạt đỉnh điểm trong mùa đông ở Bắc bán cầu, cô ấy nói, và chúng thường không tồn tại ngoài các tháng mùa xuân ở phía bắc hoặc phương bắc, mà các nhà khoa học gọi là “rào cản dự đoán mùa xuân”. Do những mối liên kết này, thật hợp lý khi cho rằng hiệu ứng khoảng cách cũng có thể có tác động lớn đến ENSO — điều cần được xem xét trong các nghiên cứu trong tương lai.
“Rất ít người chú ý đến chu kỳ mùa lạnh lưỡi vì hầu hết mọi người nghĩ rằng nó đã được giải quyết. Chẳng có gì thú vị ở đó cả”, Chiang nói. “Những gì nghiên cứu này cho thấy là nó chưa được giải quyết. Vẫn còn một bí ẩn ở đó. Kết quả của chúng tôi cũng đặt ra câu hỏi liệu các khu vực khác trên Trái đất cũng có thể đóng góp hiệu ứng khoảng cách đáng kể vào chu kỳ theo mùa của chúng hay không.”
>> Tham khảo: Vật liệu dạng chấm lượng tử có thứ tự.
Đồng tác giả Anthony Broccoli của Đại học Rutgers cho biết thêm: “Ngay từ khi còn đi học, chúng ta đã học trong các lớp khoa học rằng các mùa được gây ra bởi sự nghiêng của trục Trái đất”. “Điều này chắc chắn đúng và đã được hiểu rõ trong nhiều thế kỷ. Mặc dù ảnh hưởng của khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời cũng đã được công nhận, nhưng nghiên cứu của chúng tôi chỉ ra rằng ‘hiệu ứng khoảng cách’ này có thể là một tác động quan trọng hơn đối với khí hậu so với những gì đã được công nhận trước đây.” “
Chiang, Atwood và Broccoli và các đồng nghiệp của họ đã báo cáo những phát hiện của họ hôm nay trên tạp chí Nature.
Hai chu kỳ hàng năm khác biệt ảnh hưởng đến lưỡi lạnh Thái Bình Dương
Động lực chính của sự thay đổi thời tiết toàn cầu là sự thay đổi theo mùa. Đường xích đạo của trái đất nghiêng so với quỹ đạo của nó quanh mặt trời, do đó bán cầu Bắc và Nam được chiếu sáng khác nhau. Khi mặt trời chiếu trực tiếp trên đầu ở phía bắc, trời sẽ ấm hơn ở phía bắc và lạnh hơn ở phía nam và ngược lại.
Những thay đổi hàng năm này có tác động lớn đến gió mậu dịch xích đạo Thái Bình Dương thổi từ đông nam sang tây bắc qua nam và xích đạo Thái Bình Dương và đẩy nước bề mặt về phía tây, gây ra hiện tượng nước lạnh dâng cao dọc theo đường xích đạo tạo ra một dải nước lạnh trên bề mặt kéo dài từ Ecuador qua Thái Bình Dương — gần bằng một phần tư chu vi của hành tinh.
Sự thay đổi nhiệt độ theo mùa ở bán cầu hàng năm làm thay đổi cường độ của các giao dịch, và do đó gây ra một chu kỳ hàng năm về nhiệt độ của lưỡi lạnh. Ngược lại, điều này có ảnh hưởng lớn đến ENSO, thường đạt cực đại vào mùa đông ở Bắc bán cầu.
Sự xuất hiện của El Niño — hoặc ngược lại, La Niña — giúp xác định California và Bờ Tây sẽ có mùa đông ẩm ướt hay khô hạn, cũng như liệu Trung Tây và một số khu vực của Châu Á sẽ có mưa hay hạn hán.
Broccoli cho biết: “Khi nghiên cứu về khí hậu trong quá khứ, nhiều nỗ lực đã được dành để cố gắng tìm hiểu xem liệu sự biến đổi ở vùng nhiệt đới Thái Bình Dương – tức là chu kỳ El Niño/La Niña – đã thay đổi trong quá khứ hay chưa. “Thay vào đó, chúng tôi chọn tập trung vào chu kỳ hàng năm của nhiệt độ đại dương ở vùng lưỡi lạnh phía đông Thái Bình Dương. Nghiên cứu của chúng tôi phát hiện ra rằng thời điểm điểm cận nhật – tức là điểm mà trái đất ở gần mặt trời nhất – có ảnh hưởng quan trọng về khí hậu ở vùng nhiệt đới Thái Bình Dương.”
>> Tham khảo: Bẻ khóa mã hóa học về cách iốt giúp hình thành các đám mây.
Vào năm 2015, Broccoli, đồng giám đốc của Viện Khí hậu Rutgers, cùng với sinh viên mới tốt nghiệp lúc đó là Michael Erb, đã sử dụng một mô hình khí hậu trên máy tính để chỉ ra rằng những thay đổi về khoảng cách do quỹ đạo hình elip của Trái đất gây ra đã làm thay đổi đáng kể chu kỳ lưỡi lạnh hàng năm. Nhưng những người lập mô hình khí hậu hầu như bỏ qua kết quả, Chiang nói.
“Lĩnh vực của chúng tôi tập trung vào El Nino và chúng tôi nghĩ rằng chu kỳ theo mùa đã được giải quyết. Nhưng sau đó chúng tôi nhận ra rằng kết quả của Erb và Broccoli đã thách thức giả định này”, ông nói.
Chiang và các đồng nghiệp của ông, bao gồm cả Broccoli và Atwood, đã kiểm tra các mô phỏng tương tự bằng cách sử dụng bốn mô hình khí hậu khác nhau và xác nhận kết quả. Nhưng nhóm nghiên cứu đã đi xa hơn để cho thấy hiệu ứng khoảng cách hoạt động như thế nào.
Bán cầu ‘biển’ và ‘lục địa’ của trái đất
Sự khác biệt chính là những thay đổi về khoảng cách của mặt trời với Trái đất không ảnh hưởng khác nhau đến bán cầu Bắc và Nam, đây là nguyên nhân dẫn đến hiệu ứng theo mùa do độ nghiêng của trục Trái đất. Thay vào đó, chúng làm ấm “bán cầu lục địa” phía đông do Bắc và Nam Mỹ, châu Phi và Âu Á thống trị, nhiều hơn là làm ấm Tây bán cầu — cái mà ông gọi là bán cầu biển, bởi vì nó bị Thái Bình Dương thống trị.
“Cách suy nghĩ truyền thống về gió mùa là Bắc bán cầu ấm lên so với Nam bán cầu, tạo ra gió trên đất liền mang theo mưa gió mùa,” Chiang nói. “Nhưng ở đây, chúng ta thực sự đang nói về sự chênh lệch nhiệt độ giữa đông-tây, không phải bắc-nam, gây ra gió. Hiệu ứng khoảng cách đang hoạt động thông qua cơ chế giống như mưa gió mùa theo mùa, nhưng gió thay đổi đến từ hướng đông này.” -gió mùa tây.”
Những cơn gió được tạo ra bởi sự nóng lên khác biệt này của các bán cầu đại dương và lục địa làm thay đổi sự thay đổi hàng năm của các luồng gió mùa đông ở phía tây xích đạo Thái Bình Dương, và do đó, lưỡi lạnh.
“Khi Trái đất ở gần mặt trời nhất, những cơn gió này rất mạnh. Vào trái mùa, khi mặt trời ở xa nhất, những cơn gió này trở nên yếu đi”, Chiang nói. “Những thay đổi gió đó sau đó được lan truyền đến Đông Thái Bình Dương thông qua đường nhiệt đới, và về cơ bản, nó thúc đẩy một chu kỳ hàng năm của lưỡi lạnh.”
Ngày nay, Chiang cho biết, hiệu ứng khoảng cách đối với lưỡi lạnh bằng khoảng một phần ba cường độ của hiệu ứng nghiêng và chúng tăng cường lẫn nhau, dẫn đến một chu kỳ mạnh mẽ hàng năm của lưỡi lạnh. Khoảng 6.000 năm trước, chúng triệt tiêu lẫn nhau, tạo ra một chu kỳ âm thầm hàng năm của lưỡi lạnh. Trong quá khứ, khi quỹ đạo của Trái đất có hình elip hơn, hiệu ứng khoảng cách trên lưỡi lạnh sẽ lớn hơn và có thể dẫn đến sự triệt tiêu hoàn toàn hơn khi lệch pha.
Mặc dù Tưởng và các đồng nghiệp của ông đã không xem xét tác động của việc hủy bỏ như vậy, nhưng điều này có khả năng ảnh hưởng đến các kiểu thời tiết trên toàn thế giới.
Tưởng nhấn mạnh rằng hiệu ứng khoảng cách đối với khí hậu, mặc dù rõ ràng trong các mô phỏng mô hình khí hậu, nhưng sẽ không rõ ràng từ các quan sát vì không thể dễ dàng phân biệt nó với hiệu ứng nghiêng.
“Nghiên cứu này hoàn toàn dựa trên mô hình. Vì vậy, đó là một dự đoán,” ông nói. “Nhưng hành vi này được tái tạo bởi một số mô hình khác nhau, ít nhất là bốn mô hình. Và những gì chúng tôi đã làm trong nghiên cứu này là giải thích tại sao điều này lại xảy ra. Và trong quá trình này, chúng tôi đã phát hiện ra một chu kỳ hàng năm khác của cái lưỡi lạnh lùng được điều khiển bởi độ lệch tâm của trái đất.”
Atwood lưu ý rằng, không giống như những thay đổi mạnh mẽ đối với chu kỳ mùa lưỡi lạnh, những thay đổi đối với ENSO có xu hướng phụ thuộc vào mô hình.
>> Tham khảo: Các cơ chế biểu sinh để kích hoạt gen đặc hiệu của cha mẹ được giải mã.
Bà nói: “Mặc dù ENSO vẫn là một thách thức đối với các mô hình khí hậu, nhưng chúng ta có thể nhìn xa hơn các mô phỏng mô hình khí hậu đối với hồ sơ cổ khí hậu để điều tra mối liên hệ giữa những thay đổi trong chu kỳ hàng năm của lưỡi lạnh và ENSO trong quá khứ”. “Cho đến nay, các ghi chép về cổ khí hậu từ vùng nhiệt đới Thái Bình Dương phần lớn được giải thích theo những thay đổi trong quá khứ của ENSO, nhưng nghiên cứu của chúng tôi nhấn mạnh sự cần thiết phải tách biệt những thay đổi trong chu kỳ hàng năm của lưỡi lạnh với những thay đổi trong ENSO.”
Các đồng nghiệp của Tưởng, ngoài Broccoli và Atwood, còn có Daniel Vimont của Đại học Wisconsin ở Madison; Paul Nicknish, cựu sinh viên đại học UC Berkeley, hiện là sinh viên cao học tại Viện Công nghệ Massachusetts; William Roberts của Đại học Northumbria ở Newcastle-upon-Tyne ở Vương quốc Anh; và Clay Tabor của Đại học Connecticut ở Storrs. Tưởng tiến hành một phần nghiên cứu khi đang nghỉ phép tại Viện Nghiên cứu Thay đổi Môi trường của Academia Sinica ở Đài Bắc, Đài Loan.
