Pogoda 
-
Dokładność prognoz pogody może się zwiększyć dzięki wykorzystaniu danych o poziomie izotopów wodoru i tlenu w parze wodnej.
-
Włączenie pomiarów satelitarnych dotyczących izotopów wodoru i tlenu do modeli meteorologicznych umożliwia lepsze przewidywanie warunków atmosferycznych, szczególnie intensywnych opadów.
-
Rozszerzenie modeli prognozowania pogody o obserwacje izotopowe wymaga nowoczesnej infrastruktury komputerowej i większej dostępności danych w czasie rzeczywistym.
-
Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu, otwiera się w nowym oknie
Prognozy pogody opierają się na wielu rodzajach danych, przede wszystkim dotyczących ciśnienia atmosferycznego, temperatury i wilgotności powietrza oraz prędkości i kierunku wiatru w różnych miejscach. Ocenia się także zachmurzenie i rodzaj chmur, uwzględnia temperaturę powierzchni morza i wiele innych parametrów. Dane pochodzą ze stacji meteorologicznych, balonów, samolotów czy satelitów.
Mimo rozwijanych od dziesięcioleci komputerowych modeli pogody i uruchamiania ich na superkomputerach, prognozy dotyczące pogody za więcej niż kilka dni wciąż są niezbyt wiarygodne.
Naukowcy z University of Tokyo (Japonia) wykazali, że uwzględnienie w modelach pogody satelitarnych pomiarów poziomu izotopów wodoru i tlenu zawartych w parze wodnej poprawia jakość prognoz warunków atmosferycznych do pięciu dni, pozwalając na przykład lepiej przewidywać intensywne opady deszczu.
Izotopy mogą pomóc w lepszych prognozach pogody
Izotopy to alternatywne formy atomów, w których liczba neutronów różni się od liczby występującej w typowym atomie. Oznacza to, że izotopy są często cięższe niż ich atomowe odpowiedniki, a w przypadku związanego izotopu wodoru zwanego deuterem po połączeniu z tlenem powstaje tzw. ciężka woda. Od pewnego czasu wiadomo, że ciężka woda występuje w atmosferze jako woda z ciężkim izotopem wodoru lub z ciężkim izotopem tlenu. Wiadomo również, że sposób parowania i kondensacji ciężkiej wody nieco różni się od normalnego.
Obserwacje satelitarne dostarczają danych dotyczących zmian ilości naturalnie występujących na wysokości około 4 kilometrów cząsteczek ciężkiej wody. Te subtelne różnice odzwierciedlają historię parowania, kondensacji i transportu atmosferycznego, dostarczając modelom pogody informacji, których nie są w stanie uchwycić zwykłe pomiary 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” – powiedział Kinya Toride z University of Tokyo.
Ciężka woda łatwiej się skrapla
„W tym badaniu włączyliśmy satelitarne obserwacje stosunków izotopów pary wodnej do modelu pogody, wykorzystując technikę zwaną asymilacją danych. Odkryliśmy, że te dodatkowe informacje poprawiły nasze szacunki podstawowych warunków atmosferycznych, takich jak wiatr, temperatura i para wodna, co z kolei doprowadziło do dokładniejszych prognoz pogody” – opisał.
Ponieważ ciężka woda jest, jak sama nazwa wskazuje, nieco cięższa i nie paruje tak łatwo jak zwykła woda, to również łatwiej się skrapla. Te i inne subtelne różnice w zachowaniu zmieniają rozkład izotopów wody w atmosferze. Choć cenne, same obserwacje nie ujawniają, które zmienne atmosferyczne, takie jak temperatura, wiatr czy wilgotność, odpowiadają za konkretny sygnał izotopowy.
Aby wykorzystać te informacje, naukowcy musieli opracować sposób rozdzielenia sygnałów izotopowych i przełożenia ich na zmienne atmosferyczne wykorzystywane w prognozowaniu pogody. Obserwacje w warunkach rzeczywistych podlegają również wpływom, które nie są jeszcze w pełni poznane, co oznacza, że samo dodanie większej ilości danych do modeli nie prowadzi automatycznie do lepszych prognoz.
„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” – powiedział profesor Kei Yoshimura z Instytutu Nauk Przemysłowych z University of Tokyo.
Potrzeba będzie znacznie lepszych komputerów
„Teraz, gdy wykazaliśmy wyraźne korzyści, zwłaszcza w prognozowaniu intensywnych opadów deszczu, mamy znaczący powód, aby to zmienić. Naszym długoterminowym celem jest opracowanie dokładniejszych satelitarnych obserwacji izotopów pary wodnej i zintegrowanie ich z systemami prognozowania pogody, tak aby ta dodatkowa warstwa informacji mogła zwiększyć wiarygodność codziennych prognoz” – dodał.
Aby obserwacje izotopowe stały się częścią codziennego prognozowania pogody, konieczne będzie przetwarzanie dużych ilości danych w czasie rzeczywistym, a operacyjne modele prognozowania pogody będą musiały uwzględniać izotopy tworzące ciężką wodę. Zdaniem autorów, biorąc pod uwagę stale malejące koszty wystrzeliwania niezbędnych satelitów, coraz bardziej prawdopodobne jest, że potrzebne dane wkrótce znajdą się w rękach naukowców, specjalistów od modelowania klimatu, a nawet prezenterów pogody.
