Спустя два года после того, как команда CIRES и CU Boulder обнаружила ранее неизвестный класс волн, постоянно колеблющихся в верхних слоях антарктической атмосферы, они обнаружили дразнящие подсказки к происхождению волн. Работа междисциплинарной научной группы по изучению формирования «постоянных гравитационных волн» обещает помочь исследователям лучше понять связи между слоями земной атмосферы, помогая сформировать более полное представление о циркуляции воздуха во всем мире.
«Из исследований вырисовывается общая картина гравитационных волн Антарктики от поверхности до термосферы, которая может помочь усовершенствовать глобальные атмосферные модели», - сказал научный сотрудник CIRES и профессор аэрокосмических инженерных наук CU Boulder Синьчжао Чу., ведущий автор нового исследования, опубликованного сегодня в Journal of Geophysical Research-Atmospheres.
"Новое понимание явилось результатом серии журнальных публикаций, основанных на многолетних лидарных наблюдениях, многие из которых были проведены зимними студентами с высот Эррайвл в районе станции Мак-Мердо в Антарктиде."
В статье 2016 года Чу и ее коллеги обнаружили постоянные гравитационные волны: огромную рябь, которая проходит через верхние слои атмосферы за период от 3 до 10 часов. И теперь, объединив наблюдения, теорию и модели, они предлагают два возможных происхождения этих волн: они либо от волн более низкого уровня, ломающихся и вновь возбуждающих новые волны выше в небе, и/или от полярных вихревых ветров.
С 2016 года команде удалось отследить происхождение верхних атмосферных волн вплоть до нижней стратосферы. Затем команда охарактеризовала преобладающие там гравитационные волны, но обнаружила, что они имеют совсем другие свойства, чем постоянные волны в верхних слоях атмосферы.
"Верхние атмосферные волны огромны, с горизонтальной длиной около 1 200 миль (2 000 км), а нижние, стратосферные волны намного меньше - всего 250 миль (400 км)", сказал Цзянь Чжао, доктор философии. D. кандидат в CU Aerospace, работавший в группе Чу, который провел зиму 2015 года в Мак-Мердо для лидарных наблюдений.
Чжао и его коллеги ранее описывали стратосферные волны в более раннем исследовании, и он является вторым автором нового исследования, в котором описывается, как энергия волн меняется в зависимости от времени года и года - документирование таких изменений имеет решающее значение для исследователей, пытающихся понять, как волны влияют на такие вещи, как глобальная циркуляция воздуха и изменение климата.
Команда подозревает, что когда эти более низкие, более мелкие стратосферные гравитационные волны разрушаются, они вызывают образование огромных волн, которые затем перемещаются в верхние слои атмосферы посредством процесса, называемого «генерацией вторичных волн».
Доказательства лидарных данных на станции Мак-Мердо, указывающие на этот процесс, были описаны в статье, опубликованной в этом году под руководством Шэрон Вадас, исследователя из Northwest Research Associates, и ее коллег.
«Это похоже на океанские волны, разбивающиеся о пляж», - сказал Вадас.«Когда ветер дует вниз с гор возле Мак-Мердо, возбужденные горные волны поднимаются вверх в атмосфере, становясь все больше и больше, пока не разобьются о огромные масштабы, создавая эти вторичные гравитационные волны».
Понимание происхождения волн опиралось на теорию вторичных гравитационных волн Вадаса и глобальную модель высокого разрешения, созданную Эрихом Беккером в Физическом институте Лейбница в Германии. Модель Беккера идеально сочетает теорию и лидарные наблюдения. Это говорит о том, что вторичные волны особенно устойчивы зимой и происходят не только на станции Мак-Мердо, но и в средних и высоких широтах в обоих полушариях.
Другим возможным источником постоянных волн является полярный вихрь - постоянная картина ветра и погоды, которая зимой вращается вокруг Южного полюса, сообщили Чу и ее коллеги в последней статье.
«Быстрые вихревые ветры могут либо изменять волны, когда они движутся вверх, либо сами ветры могут создавать волны», - говорит Линн Харви, соавтор исследования и научный сотрудник Лаборатории физики атмосферы и космоса. (LASP) в CU Boulder.«После большего количества наблюдений мы сможем определить, какой сценарий верен».
Чу и ее коллеги-исследователи иногда обнаруживают, что сидят за столами, выполняя компьютерные модели и расчеты, а иногда они с ног до головы идут, преодолевая сильный ветер и холодные температуры, значительно ниже нуля градусов по Фаренгейту в Антарктиде, чтобы бежать. Там установлены новейшие лидарные системы.
Антарктическая программа США, управляемая Национальным научным фондом, и программа Антарктиды Новой Зеландии поддерживали работу группы в Антарктиде в течение восьми лет, начиная с установки лидарных систем, изготовленных по индивидуальному заказу Чу, что позволяет ее команде исследовать самые труднодоступные для наблюдения области атмосферы. Изучение атмосферных волн вблизи Южного полюса имеет решающее значение для улучшения моделей климата и погоды, а также для формирования более полной картины глобального поведения атмосферы.
«У нас еще много вопросов без ответов», - сказал Чу. «Но примерно через пять лет, используя комбинацию наблюдений и моделирования с высоким разрешением, мы надеемся разрешить эти загадки».
Двое из ее учеников - недавний выпускник Ян П. Джерати и доктор философии. студентка Зиму Ли отправится в Антарктиду в октябре этого года, чтобы продолжить исследования.