El Niño i Southern Oscillation: Opóźniony oscylator w Pacyfiku

Normalne stanie Pacyfiku

W przeciętnym, „neutralnym” lub lecącem ku La Niña roku wiatry handlowe przenoszą się regularnie od wschodu do zachodu przez Tropik Pacyfiku. Ten nacisk wiatrowy zasypia ciepłe powierzchniowe wody na zachodzie, tworząc Biliardowy ciepły północny pacyfik (Indo-Pacificzny ciepły basen) w pobliżu Indonezji, podczas gdy nad wybrzeżem Ameryki Południowej podnosi się z głębin chłodne, bogate w nutryencje wody, które zastępują te przeniesione przez wiatr. To ustawia granicę termoklinu — granicy między ciepłymi powierzchniowymi a zimnymi głębokimi oceanami — tak, że jest ona głęboka na zachodzie i niska na wschodzie. Wynikający kontrast temperatur wschód-zachód prowadzi do obrotu Walker: powietrze podnosi się nad ciepłym zachodnim Pacyfiku, przepływa poziomo w górę w górę, opada nad zimnymi wschodnimi Pacyfikiem, a następnie wraca na zachód na powierzchni jako same wiatry handlowe.

Zakład Bjerknesa: system potraktujący własny przepływ

Nazwany na Jacoba Bjerknessa, który opisał go pierwszy w 1969 roku, to jest pętlę dodatniej reakcji odwzajemniającej mały nacisk, który może rozwinąć się w pełny El Niño. Gdy wiatry handlowe słabiutko zasłabną, mniej ciepłej wody jest przewieziono na zachód, co prowadzi do podwyższenia temperatury w pacyfiku wschodnim. Ale ta podwyżka zmniejsza gradient temperatury i ciśnienia między zachodnim a wschodnim Pacyfikiem, który jest odpowiedzialny za ruch wiatrów handlowych – co znowu zasłabia te wiatry, przewozi jeszcze mniej wody na zachód, a tym samym podwyższa temperaturę wschodnią. Każdy krok potraktowuje poprzedni, a cała baza może odwrócić się od swojego stanu normalnego i przekształcić w El Niño: ciepłą wodę centralno-wschodnim Pacyfiku, opadniętą podwyższenie i zasłabnącą krążenie Walkera.

Dlaczego się cofa: opóźniony oscylator

Pura dążność do pozytywnego zwracania bywałaby tylko rozrzutem i zamknęłaby morze w stałe stanie El Niño, ale to nie dzieje się — ponieważ sam ocean dostarcza opóźnioną negatywną dążność. To jest teoria opóźnionego oscylatora opracowana przez Suarez'a i Schopfa, oraz Battisti'ego i Hirsta w późnych latach 80. Wieczyste wiatry handlowe, gdy się słabeją, również uruchamiają wolne dążenie Rossby'ego na zachód i dążenia Kelvina na wschód wewnątrz oceanu. Dążenia Rossby'ego biorą miesiące, aby przekroczyć basen i odległe się o zachodnim brzegie, powracając na wschód jako podniesienia dążenia Kelvina, które stopniowo chłodzi dolną warstwę termokline w zachodniej części. Gdy ten opóźniony sygnał dotrze, zaszkodzi ona samodzielnej anomalii ciepła, która ją spowodowała, i obraca system przez neutralny stan, często do przeciwnego stanu chłodnego La Niña — tworząc półokresowy cykl około co dwa do siedmiu lat zamiast ustalonego, mechanizmu podobnego.

// qualitative state flow of one ENSO cycle

Bjerknes feedback (fast, self-reinforcing):
  trade_winds  weaken  -->  less warm water pushed west
  eastern Pacific SST  rises
  east-west SST gradient  shrinks  -->  trade_winds  weaken further   // loop closes

Delayed oscillator (slow, self-correcting):
  weakened trade_winds  -->  westward Rossby wave + eastward Kelvin wave
  Rossby wave reflects off western boundary (months later)
  reflection  -->  new eastward upwelling Kelvin wave
  upwelling Kelvin wave  -->  cools eastern thermocline
  cooling  overwhelms the original warm anomaly  -->  system swings toward La Niña

net result: oscillation period ~= travel + reflection time of ocean waves
            across the Pacific basin, roughly 2-7 years

Pomiar: indeks ONI

Przewodnicy monitorują stan Pacyfiku za pomocą Indeksu Oceanicznego Niño (ONI): średniej trzy miesięcznej zanurzonej temperatury powierzchni morskiej w obszarze Niño 3.4, pasji północno-wschodniego Pacyfiku wybranego ze względu na jego silne i jasne reakcje zarówno na feedbacka Bjerknesa, jak i sygnał opóźniony-oszczepowy. El Niño jest oficjalnie zadeklarowany po osiągnięciu przez ONI wartości +0.5°C lub wyższej w ciągu co najmniej pięciu kolejnych trzy miesięcznych sezonów; La Niña jest zadeklarowana, gdy wartość ONI spadnie do -0.5°C lub niższego na tą samą długość czasu. Wartości między tymi granicami są klasificowane jako neutralny ENSO.

Dlaczego reszta świata zauważa

Jednak ponieważ tropicalna Pacyfik jest jednym z największych magazynów ciepła na Ziemi, przemieszczanie się jej cyrkulacji rozpraszająco wpływa na pogodę globalną. Lata El Niño obwieszczają zwykle wilgotniejsze warunki w południowej Stanów Zjednoczonych i wybrzeżach Peru, suchy klimat w Indonezji, Australii oraz części Afryki Południowej, a także — poprzez zwiększenie szarzy wiatrowej na wysokości powietrza nad Atlantyk — obwieszcza obniżenie aktywności huraganów. El Niño również taktuje krótkoterminowe globalne średnie temperatury powierzchniowe w górę, ponieważ ogromna ilość ciepła z morza jest relachjoną do atmosfery zamiast pozostawać pod thermoklinałem. Lata La Niña obwieszczają zazwyczaj przeciwny trend tych wzorców.

Często zadawane pytania