Image
Jorda sett fra verdensrommet. Foto: Colourbox

Vær- og vindforhold i stratosfæren kan påvirke været nede hos oss i troposfæren. Illustrasjonsfoto: Colourbox

Værmeldingen kan bli bedre ved å overvåke infralyd fra stratosfæren

Meteorologenes værvarsler kan bli mer nøyaktige og forutsi været lenger frem i tid hvis forskere får mer kunnskap om den ikke-hørbare infralyden.

Det er ingen enkel jobb for meteorologene å forutse hvordan været blir noen dager eller uker frem i tid. Det er så mange faktorer som påvirker skyer, vinder og nedbør at det er vanlig å si at været er kaotisk.

Når vi snakker om været, snakker vi stort sett om de nederste 10–15 kilometerne av jordas atmosfære, det som kalles troposfæren. Utenfor troposfæren ligger stratosfæren, og den gjør ikke akkurat meteorologenes jobb enklere.

Det skjer nemlig ting der oppe på mellom 15 og 50 kilometers høyde som påvirker været her nede i troposfæren.

– I stratosfæren går ting tregere enn her nede. Det er ikke like mye kaos. Kaoset befinner seg på en måte på en lengre tidsskala, sier førsteamanuensis Sven Peter Näsholm ved Institutt for informatikk på UiO.

I perioder er stratosfæren og troposfæren ganske adskilt, og bevegelser der oppe får ikke så mye å si for været hos oss på jordoverflaten.

Sven Peter Näsholm forsker på den langbølgete infralyden som våre ører ikke kan oppfatte. Foto: Eivind Torgersen/UiO

– Men spesielt vinterstid kan det skje en forstyrrelse i stratosfæren som får konsekvenser nede i troposfæren og som for eksempel kan føre til at vi får en kald periode her nede, sier Näsholm til Titan.uio.no.

Og nettopp derfor kunne det vært fint for meteorologene å vite hva som skjer der oppe. Ikke bare for å gi deg en bedre værmelding før helgen, men også for å kunne lage bedre langtidsværvarsler for flere uker, kanskje et par måneder frem i tid.

– Foreløpig har vi ikke så mye teknologi som gir data til værmodellene om vinden i den øvre delen av stratosfæren, sier Näsholm.

Men han håper at han kan være med på å gjøre noe med akkurat det. I et forskningsprosjekt som ledes av det seismologiske forskningssenteret NORSAR, prøver Näsholm og andre forskere å finne ut hvordan de kan bruke lydbølger til å måle hva som foregår i stratosfæren.

LES OGSÅ: Hvorfor er været kaotisk mens klimaet er forutsigbart?

Den «lydløse» infralyden

Men foreløpig er det altså ikke nok data tilgjengelig om vindforholdene i stratosfæren. Så hvordan skal de kunne skaffe det? Näsholm tror de kan finne svar ved å lytte til det som kalles infralyd.

Infralyd er lydbølger med veldig lav frekvens og lange bølgelengder, og som et menneskeøre ikke kan oppfatte. På samme måte som infrarødt lys ligger utenfor det området vi kan se med øynene.

– Vi jobber med lydbølger på mellom 0,1 og 10 hertz. Lyden vi kan høre, ligger mellom ca. 20 og 20.000 hertz, litt avhengig av alder og musikkvaner, sier Näsholm.

Over 20.000 hertz ligger de høyfrekvente ultralydbølgene som vi heller ikke kan høre.

Fakta

Hva er infralyd?

Infralyd er bølger i luften med frekvens under 20 herz (Hz). Infralyd kan ikke høres av det menneskelige øret, men kan bære over store avstander.

Menneskeskapte fenomener som lager infralyd er blant annet kjernefysiske og andre store eksplosjoner, rakettoppskytninger og supersoniske fly. Naturlige fenomener som lager infralyd inkluderer vulkanutbrudd, jordskjelv, meteorer og uvær.

Kilde: NORSAR

– Det finnes både naturlige og unaturlige kilder til infralyd. En gassflamme eller en eksplosjon kan for eksempel danne en uhørbar lydkilde. Et fossefall også. Og lyn, vulkaner og meteornedslag.

Alle disse sender også ut lyd vi kan høre. Men i tillegg sender de altså ut langbølget infralyd. Disse har en stor fordel:

– Det er bare de lavfrekvente ikke-hørbare lydbølgene som overlever en flere hundre kilometers ferd gjennom atmosfæren, sier Näsholm.

– Jo lavere frekvens du har på en bølge, desto lenger kan den gå uten å bli dempet og forsvinne.

Det kan forskerne utnytte.

Etablert for å overvåke prøvesprengninger

Et verdensomspennende nettverk av sensorer registrerer nemlig bølger som sprer seg både i atmosfæren og i jordskorpa i forbindelse med eksplosjoner, jordskjelv eller sprenging. Opprinnelig ble dette etablert for å overvåke en avtale som forbyr atomprøvesprengninger.

– I dette overvåkingsnettverket lytter man også i luften for å kontrollere at ingen utfører prøvesprengninger i atmosfæren.

Dermed kan de også høre infralydbølger som har reist gjennom stratosfæren. Hvis de vet hvor lydkilden var og når den oppsto, kan forskerne regne seg frem til hvilke vinder og vindstrukturer bølgene har reist gjennom.

Näsholm og kollegaene har i mange år registrert lydbølger fra sprengninger, for eksempel i gruver i Nord-Finland. En slik eksplosjon sender lydbølger i alle mulige retninger. Men de er mest interessert i infralyden som tar turen gjennom i stratosfæren.

I en furuskog ved Bardufoss fanger disse sensorene opp infralyd. Foto: NORSAR

– Akkurat som lyset brytes gjennom et prisme, bøyes lyden av når den går inn i et nytt luftlag. Har den medvind i høyere lag, bøyes strålen ned.

Dermed vil den etter en tur opp i stratosfæren etter hvert komme tilbake mot jorda. Og da blir den registrert av de følsomme sensorene.

– Mediet en bølge går gjennom, gjenspeiles i det signalet vi mottar. Hvis det er sterk vind i et lag av atmosfæren, endres strukturen på bølgefronten vi måler, forklarer Näsholm.

– Da får vi et bilde av hvor mye sidevind det har vært langs banen.

Dermed kan forskerne se hva lydbølgen har vært utsatt for på reisen til målepunktet. Og hvis de har mange nok slike målinger, vil de kunne si noe om polarvirvlene i stratosfæren.

Men der er de ikke foreløpig. Det er et godt stykke frem til de eventuelt kan sørge for at slike data kan puttes inn i meteorologens værmodeller.

– Vi har gjort flere fremskritt, men er foreløpig bare i startfasen. Dette er grunnforskning med mange usikre faktorer, sier Näsholm.

Hva skjer når polarvirvelen endrer seg?

Det er særlig to fenomener det kan være nyttig å forutsi, og som infralyden kan bidra til å overvåke. Begge har å gjøre med den kjempestore polarvirvelen som hver vinter dannes i stratosfæren over nordområdene.

– Når denne polarvirvelen oppfører seg normalt, kommuniserer ikke stratosfæren så mye med troposfæren. Hvis den blir ekstra sterk, kan det påvirke stratosfæren.

– Men den kan også kollapse eller flytte seg, og den kan splittes opp i flere virvler, forklarer Näsholm.

Da kan det oppstå et fenomen som kalles brå stratosfærisk oppvarming. I tillegg til en kraftig oppvarming – som var det man først målte da fenomenet ble oppdaget på 1950-tallet – har dette i stor grad med stratosfærens dynamikk og struktur å gjøre.

– Hvis endringen kobler nedover, kan man forvente en endring i værstrukturen hos oss i troposfæren. I Europa øker da sannsynligheten for fenomener som «Den russiske kulden», «The beast form the east» som de kaller det i Storbritannia. Hos oss i Skandinavia har man da økt sjanse for en lengre periode med klart og kaldt vær med lite nedbør, sier Näsholm.

Det er ikke bare du som kan ha nytte av dette når du planlegger neste helgs skitur og sjekker langtidsværmeldingen. Näsholm og kollegaene har for eksempel vært i kontakt med aktører i energimarkedet.

– Hvis det blir kjent at sannsynligheten for en kuldeperiode blir større, så kan det ha noe å si for hvordan energimarkedet posisjonerer seg.

Fakta

Om prosjektet

Navn: Middle Atmosphere Dynamics: Exploiting Infrasound Using a Multidisciplinary Approach at High Latitudes

Mål: Kombinere infralyd- og meteorradardata fra nordområdene til å begrense atmosfæriske modeller og til å utforske koblingen mellom atmosfæriske lag.

Deltakere: NORSAR, NTNU, Norsk institutt for luftforskning, Universitetet i Oslo, KNMI (Nederland), CEA (Frankrike) og Institutet för rymdfysik (Sverige). Prosjektet er finansiert av Norges forskningsråd.

Her kan du lese mer om prosjektet

Lytter til summingen fra havet

Værmeldingene kan aldri bli for gode, så det er nok mange som kunne tenke seg varsler for et par måneder frem i tid, i tillegg til enda bedre varsler for neste helg, selvfølgelig.

Infralyden fra sprenginger i Finland er ikke nok. Näsholm har et håp om at de kan få hjelp fra havet.

– Det finnes soner i for eksempel Nord-Atlanteren der det er veldig dypt. Der finnes det en nesten konstant struktur av sjøbølger som kolliderer. Og som gjør det lenge.

Disse kollisjonene skaper en lavfrekvent lydbølge som er der så å si hele tiden.

– Sjøen pumper lyd opp i atmosfæren ganske kontinuerlig. Denne lydbølge har en frekvens på cirka 0,2 hertz, og det er innenfor det frekvensbåndet der vi jobber.

Noen av disse tar turen opp i stratosfæren der de bøyes av og kommer ned til lyttestasjonene etter en ferd på flere hundre kilometer.

– Vi kan høre summingen fra Atlanterhavet, men det er vanskelig å finne ut hvor langt den har vandret siden det er en kontinuerlig lyd. Om vinteren hører vi den nesten hele tiden. Men når vi har en brå stratosfærisk oppvarming, forsvinner den.

Ambisjonen er å kunne bruke disse lydbølgene til å måle vinder og virvler i stratosfæren. Da slipper de i hvert fall å vente på lyden av sprengninger i Finland.

– Den kontinuerlige lydkilden har sine fordeler. Dette er spennende forskning, og potensialet er stort, men det gjenstår mange små problemer som må løses på veien mot en bedre langtidsværvarsling, sier Näsholm.

Kontakt:

Sven Peter Näsholm, førsteamanuensis ved Institutt for informatikk, Universitetet i Oslo

Les mer på Titan.uio.no:

Ultralyd-forbedringer gir også utfordringer

Dyphavsfisk kan se en slags farger i stummende mørke

Kuldeperioden «Beast from the East»

Vitenskapelige artikler:

Blixt, Näsholm mfl: Estimating tropospheric and stratospheric winds using infrasound from explosions. The Journal of the Acoustical Society of America, august 2019.

Amezcua, Näsholm mfl: Assimilation of atmospheric infrasound data to constrain tropospheric and stratospheric winds. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, april 2020.