На пороге нашей атмосферы живет тонкая группа сезонных электрических синих облаков. Эти облака, формирующиеся летом на высоте 50 миль над полюсами, известны как серебристые облака или полярные мезосферные облака - PMC. Недавняя миссия НАСА на воздушном шаре наблюдала за этими облаками в течение пяти дней в их доме в мезосфере. Полученные фотографии, которые ученые только начали анализировать, помогут нам лучше понять турбулентность в атмосфере, а также в океанах, озерах и других планетарных атмосферах и могут даже улучшить прогноз погоды.
8 июля 2018 года миссия NASA PMC Turbo запустила гигантский воздушный шар для изучения PMC на высоте 50 миль над поверхностью. В течение пяти дней воздушный шар плыл через стратосферу от его запуска в Эсрейнге, Швеция, через Арктику до Западного Нунавута, Канада. Во время полета камеры на борту воздушного шара зафиксировали 6 миллионов изображений с высоким разрешением, заполнив 120 терабайт хранилища данных, большинство из которых включало различные дисплеи PMC, показывающие процессы, приводящие к турбулентности. Сейчас ученые начинают просматривать изображения, и первый взгляд оказался многообещающим.
«Из того, что мы видели до сих пор, мы ожидаем получить действительно впечатляющий набор данных от этой миссии», - сказал Дэйв Фриттс, главный исследователь миссии PMC Turbo в Global Atmospheric Technologies and Sciences в Боулдере, штат Колорадо. «Наши камеры, вероятно, смогли запечатлеть некоторые действительно интересные события, и мы надеемся, что они дадут новое представление об этой сложной динамике».
Серебристые облака сливаются в кристаллы льда на крошечных остатках метеоров в верхних слоях атмосферы. В результате получаются блестящие голубые колеблющиеся облака, которые видны сразу после захода Солнца в полярных регионах летом. На эти облака воздействуют так называемые атмосферные гравитационные волны, вызванные конвекцией и подъемом воздушных масс, например, когда воздух выталкивается горными хребтами. Волны играют важную роль в переносе энергии из нижних слоев атмосферы в мезосферу.
«Впервые мы смогли визуализировать поток энергии от больших гравитационных волн к меньшим неустойчивостям потока и турбулентности в верхних слоях атмосферы», - сказал Фриттс. «На таких высотах вы буквально можете видеть, как гравитационные волны разбиваются - как океанские волны на пляже - и переходят в турбулентность».
Полезная нагрузка воздушного шара PMC Turbo была оснащена семью специально разработанными системами визуализации для наблюдения за облаками. Каждый включал камеру высокого разрешения, компьютерную систему управления и связи, а также 32 терабайта памяти для хранения данных. Семь систем визуализации были организованы таким образом, чтобы создать мозаику широких видов, простирающихся на сто миль в поперечнике, причем каждый узкий вид мог отображать элементы турбулентности шириной до 20 ярдов. Впервые лидар - или лазерный радар - измерил точные высоты PMC, а также температурные колебания гравитационных волн над и под PMC.
«Мы знаем двумерную волновую структуру по изображениям, но для того, чтобы полностью описать волны, нам необходимо измерить и третье измерение», - сказал Бернд Кайфлер, исследователь из Немецкого аэрокосмического центра в Веслинге. Германия, разработавшая эксперимент с лидаром на воздушном шаре. «Из лидарных измерений мы можем сделать вывод о вертикальной структуре волн, таким образом предоставив важные данные, которые не были бы доступны только из эксперимента по визуализации».
Изучение причин и последствий турбулентности поможет ученым понять не только структуру и изменчивость верхних слоев атмосферы, но и других областей. Турбулентность возникает в жидкостях по всей Вселенной, и результаты помогут ученым лучше моделировать ее во всех системах. В конечном итоге результаты даже помогут улучшить модели прогноза погоды.
Понимание широкого спектра процессов в околоземном пространстве, в том числе того, как они взаимодействуют с земной атмосферой и погодой, является ключевой частью гелиофизических исследований НАСА, в которых используется целый отряд спутников и суборбитальных инструментов для наблюдения. различные явления с разных точек зрения. НАСА также изучает серебристые облака с помощью космического корабля Aeronomy of Ice in the Mesosphere, или AIM, который был запущен в 2007 году на низкую околоземную орбиту. AIM отслеживает крупномасштабные объекты в облаках в глобальном масштабе, но может различать объекты только на пару миль в поперечнике. PMC Turbo помогает заполнить детали, объясняя, что происходит в меньших масштабах, где возникает турбулентность.
Полезная нагрузка PMC Turbo была успешно извлечена с места посадки в канадской Арктике, и ожидается, что восстановленные инструменты будут использованы в будущих миссиях, в том числе в следующем декабре над Антарктидой.