Atmosfærisk tidevann

Atmosfærisk tidevann er periodiske svingninger i atmosfæren på global skala. På mange måter ligner de på tidevannet i havet. Atmosfærisk tidevann kan oppstå som følge av:

• Den jevne dag/natt-syklusen i solinnstrålingen i atmosfæren.
• Tyngdekraften fra månen.
• Ikke-lineære vekselvirkninger mellom tidevannsbølger og planetære bølger.

Generelle egenskaper

Den atmosfæriske tidevannsbølgen med størst amplitude blir hovedsakelig skapt i troposfæren og stratosfæren når atmosfæren periodisk blir oppvarmet ved at vanndamp og ozon absorberer solstråling i løpet av dagen. Tidevannsbølgene som blir skapt kan så forplante seg bort fra disse kildene og inn i mesosfæren og termosfæren. Atmosfærisk tidevann kan måles som jevne variasjoner i vind, temperatur, tetthet og trykk. Selv om atmosfærisk tidevann har mye til felles med tidevannet i havet, er det to viktige egenskaper som skiller dem:

1. Atmosfærisk tidevann blir i hovedsak skapt av soloppvarmingen av atmosfæren, mens tidevannet i havet i hovedsak blir skapt av tyngdekraften fra månen. Dette betyr at de fleste atmosfæriske tidevannsbølger har perioder knyttet til den 24 timer lange soldagen, mens tidevannet i havet har lengre perioder knyttet til månedagen (tiden månen bruker på en runde på himmelen) på om lag 24 timer og 51 minutter.
2. Atmosfærisk tidevann forplanter seg i atmosfæren der tettheten varierer kraftig med høyden. En følge av dette er at amplituden til bølgene øker eksponentielt når de forplanter seg inn i områdene av atmosfæren med tynnere luft. I havet varierer tettheten, og dermed tidevannsbølgene, lite med dybden.

Ved bakken kan det atmosfæriske tidevannet merkes som små svingninger i overflatetrykket med perioder på 24 og 12 timer. I stor høyde kan amplituden på disse bølgene bli særs store. I mesosfæren, i høyder fra om lag 50 til 100 km over bakken, kan amplituden på bølgene bli mer enn 50 m/s og er ofte den viktigste luftbevegelsen i atmosfæren.

Årsaken til den dramatiske amplitudeveksten fra små svingninger nær bakken til svingninger som dominerer bevegelser i mesosfæren kommer av at lufttettheten minker med høyden. Når en tidevannsbølge eller andre bølger forplanter seg oppover, flytter de seg inn i områder med mindre og mindre tetthet. Om disse bølgene ikke bryter, vil den kinetiske energien være bevart. Siden tettheten minker, varierer amplituden på bølgene slik at energien er bevart. Amplituden på en bølge ved høyden z kan dermed beskrives av denne ligningen:

$A=A_{0}exp(-z/2H)$

der $A_{0}$ er den opprinnelige amplituden til bølgen, $z$ er høyden og $H$ er skalahøyden til atmosfæren.

Atmosfærisk tidevann som følge av solen

De største atmosfæriske tidevannsbølgene blir skapt av den periodiske oppvarmingen av atmosfæren som følge av solen. Atmosfæren blir varmet opp om dagen og avkjølt om natten. Denne daglige syklusen skaper bølger med perioder knyttet til soldagen. Man kan kanskje forvente at denne daglige oppvarmingen vil skape tidevannsbølger med perioder på 24 timer, tilsvarende periodene oppvarmingssyklusen skjer over. Observasjoner har derimot vist at slike store tidevannsbølger i atmosfæren har perioder på både 24 og 12 timer. De er også blitt observert med perioder på åtte og seks timer, selv om disse generelt har mindre amplitude. Disse periodesettene oppstår fordi soloppvarmingen av atmosfæren skjer med en tilnærmet kvadratbølgeprofil, og på den måten er rik på harmonier. Dekomponering av det sammensatte mønsteret i dets forskjellige frekvenser, (se fouriertransformasjoner), viser i tillegg til den daglige 24-timersvariasjonen, svingninger med perioder på 12, 8 og 6 timer. Tidevann skapt av tyngdekraften fra solen er mye mindre enn det som blir skapt av soloppvarmingen. Solare tidevannsbølger videre i artikkelen omhandler derfor bare de temperaturskapte bølgene.

Solenergien som blir absorbert gjennom atmosfæren, hovedsakelig av vanndamp i troposfæren (~0 – 15 km), ozon i stratosfæren (~30 til 60 km) oksygen- og nitrogenmolekyler i termosfæren (~120 til 170 km). Variasjoner i den globale fordelingen og tettheten av disse stoffene endrer amplituden til de solskapte tidevannsbølgene. Tidevannsbølgene blir også påvirket av miljøet de forplanter seg gjennom.

Solskapte tidevannsbølger kan deles inn i to komponenter: flyttende og ikke-flyttende.

Flyttende solskapte tidevannsbølger

Flyttende tidevannsbølger er synkrone med solen. For en observatør på bakken forplanter de seg vestover med tilsynelatende samme bevegelse som solen. Siden de flyttende bølgene er stasjonære i forhold til solen, oppstår et mønster der bølgene blir skapt, som også er stasjonært i forhold til solen. Endringer i tidevannet fra et stasjonært observasjonspunkt på jordoverflaten kommer av at jorden roterer i forhold til dette stasjonære mønsteret. Årstidsvariasjoner oppstår også siden jorden heller relativt til solen, og dermed relativt til mønsteret.

De flyttende solskapte tidevannsbølgene er godt studert gjennom både observasjoner og mekaniske modeller.

Ikke-flyttende solskapte tidevannsbølger

Man kan se på ikke-flyttende bølger som bølger på global skala med samme periode som de flyttende tidevannsbølgene, men som ikke følger den tilsynelatende bevegelsen til solen. De kan f.eks. ikke forplante seg horisontalt, forplante seg østover eller forplante seg vestover med en annen fart enn solen. Disse ikke-flyttende bølgene kan bli skapt av forskjeller i topografi med lengdegrad, kontrasten mellom land og hav eller vekselvirkninger med overflaten.

Hovedkilden til den 24-timersbølgen er i den lavere atmosfæren der effekter skapt av overflaten er viktige. Dette kommer til syne i relativt store ikke-flyttende komponenter som kommer frem i amplitudeforskjeller langs lengdegradene. De største amplitudene er observert over Sør-Amerika, Afrika og Australia. I motsatt tilfelle mener man at 12-timersbølgen i hovedsak blir skapt i den høyere atmosfæren, og derfor har små bidrag fra ikke-flyttende komponenter.

Atmosfærisk tidevann som følge av månen

Atmosfærisk tidevann blir også skapt av tyngdekraften fra månen. Disse er mye svakere enn bølgene som solen (temperaturen) skaper, og blir skapt av havbevegelsene på jorden (skapt av månen) og til en viss grad kraften som månen utøver på atmosfæren.

Dissipasjon

Demping av tidevann skjer hovedsakelig i den lavere termosfæren og kan skje ved turbulens fra brytende tyngdebølger. Som for et lignende fenomen som havbølger som bryter på en strand, blir energien spredt i bakgrunnsatmosfæren. Molekylær diffusjon blir også gradvis viktigere med høyden i den lavere termosfæren, siden middelfriveien øker i den stadig tynnere atmosfæren.

Effekter av atmosfærisk tidevann

Tidevannet er en viktig mekanisme for transport av energi fra den øvre atmosfæren til den lavere atmosfæren, og det er en dominerende faktor i mesosfæren og den lavere termosfæren. Derfor er det viktig å kjenne godt til atmosfærisk tidevann for å forstå helheten i atmosfæren. Man trenger modellering og observasjoner av atmosfærisk tidevann for å overvåke og varsle endringer i jordatmosfæren.