Nowy kierunek w meteorologii
Prognozy pogody od dziesięcioleci opierają się na analizie ciśnienia atmosferycznego, temperatury, wilgotności oraz prędkości i kierunku wiatru. Dane te zbierane są ze stacji meteorologicznych, balonów badawczych, samolotów oraz satelitów i zasilają potężne superkomputery. Mimo to przewidywanie aury na więcej niż kilka dni naprzód wciąż pozostaje obarczone dużą niepewnością.
Nowe możliwości w tej dziedzinie otwierają badania przeprowadzone przez zespół z University of Tokyo, których wyniki opublikowano w prestiżowym piśmie „Communications Earth & Environment”. Japońscy badacze sprawdzili, jak na jakość prognoz wpływa włączenie do modeli numerycznych informacji o izotopach wodoru i tlenu zawartych w parze wodnej unoszącej się w atmosferze.
Rola ciężkiej wody w atmosferze
Izotopy to alternatywne formy atomów różniące się liczbą neutronów, przez co bywają cięższe od typowych odpowiedników. Połączenie deuteru, czyli ciężkiego izotopu wodoru, z tlenem tworzy tak zwaną ciężką woda. Choć substancja ta występuje w atmosferze w śladowych ilościach, jej proporcje zmieniają się w procesach parowania i kondensacji w sposób odmienny od zwykłej wody.
Obserwacje satelitarne pozwalają śledzić zmiany ilości tych cząsteczek na wysokości około czterech kilometrów nad ziemią. Te subtelne różnice odzwierciedlają historię transportu atmosferycznego i dostarczają modelom informacji niedostępnych dla tradycyjnych pomiarów wilgotności.
Izotopy wody występują naturalnie w bardzo małych ilościach. Ich względna obfitość zmienia się nieznacznie podczas procesów takich jak parowanie i kondensacja. Wykorzystując te zmiany, możemy uzyskać informacje o tym, skąd pochodzi woda i co się z nią działo po drodze
To pierwsze badanie, które pokazuje, że informacje o izotopach pary wodnej mogą poprawić prognozy pogody w warunkach zbliżonych do rzeczywistych prognoz operacyjnych. Nie jest to jednak coś, co można wprowadzić z dnia na dzień. Wciąż dysponujemy bardzo niewielką ilością danych izotopowych w czasie rzeczywistym, a dzisiejsze modele prognoz operacyjnych nie są zaprojektowane do ich wykorzystania
Wyzwania technologiczne i perspektywy wdrożenia
Ponieważ ciężka woda jest nieco cięższa, trudniej paruje i łatwiej się skrapla, jej rozkład w atmosferze bywa złożony. Same obserwacje satelitarne nie wskazują bezpośrednio, czy za konkretny sygnał odpowiada temperatura, wiatr czy wilgotność, dlatego naukowcy musieli opracować metodę przełożenia tych danych na zmienne meteorologiczne za pomocą asymilacji danych.
Eksperci podkreślają, że metoda ta pozwala lepiej przewidywać intensywne opady deszczu, jednak obecne modele operacyjne i ilość danych w czasie rzeczywistym nie są jeszcze w pełni przystosowane do wykorzystania tej technologii. Wraz ze spadkiem kosztów wynoszenia satelitów w przyszłości dane te mogą jednak na stałe trafić do codziennych systemów prognozowania.