Как океаны и атмосферы переносят тепло на Земле и других планетарных телах

Новое исследование, опубликованное в PNAS, предлагает математическое описание физики, лежащей в основе роли морских и атмосферных вихрей в перераспределении тепла в глобальной системе Земли. Работа профессора MIT Раффаэле Феррари и исследователя Базиля Галле развивает модель, предложенную метеорологом Норманом Филлипсом в 1956 году, и впервые дает аналитическое решение, количественно предсказывающее перенос тепла.

Способность планетарной системы переносить тепло от экватора к полюсам является ключевым фактором, делающим Землю пригодной для жизни, смягчая экстремальные температуры. Несмотря на важность этого процесса, его механизмы до конца не изучены. Теория Феррари и Галле показывает, что вихри (циклоны в атмосфере и океанические вихри-эдди), рождающиеся из-за нестабильности крупномасштабных течений, выполняют основную работу по переносу тепла, делая это эффективнее, чем неорганизованная турбулентность.

«Вихри выполняют «черновую работу» по перемещению тепла, а не дезорганизованное движение (турбулентность)», — говорит Раффаэле Феррари. Исследователи упростили сложную систему, представив атмосферу и океан как два слоя разной плотности, а каждый вихрь — как частицу в газообразной жидкости. Их расчеты, учитывающие градиент температуры и параметры трения, позволили точно предсказать температурные режимы Земли и выявили неожиданно высокую чувствительность вихрей к силам трения.

«С 1956 года метеорологи и океанологи пытались и не могли понять эту модель Филлипса, — отмечает профессор Скриппсовского института океанографии Билл Янг. — Работа Галле и Феррари — это первое успешное дедуктивное предсказание того, как поток тепла в модели Филлипса меняется с градиентом температуры». Понимание фундаментальных принципов переноса тепла имеет решающее значение для прогнозирования климата как в глубоком прошлом, так и в условиях современного глобального потепления.