Nye spor til oprindelsen af ​​mystiske atmosfæriske bølger i Antarktis

To år efter at et CIRES- og CU Boulder-hold opdagede en hidtil ukendt klasse af bølger, der bølgede kontinuerligt gennem den øvre antarktiske atmosfære, de har afsløret fristende spor til bølgernes oprindelse. Det tværfaglige videnskabsteams arbejde med at forstå dannelsen af ​​"vedvarende tyngdekraftsbølger" lover at hjælpe forskere med bedre at forstå forbindelserne mellem lagene i Jordens atmosfære - hvilket hjælper med at danne en mere fuldstændig forståelse af luftcirkulationen rundt om i verden.

"Et stort billede af antarktiske tyngdekraftsbølger fra overfladen og hele vejen til termosfæren dukker op fra undersøgelserne, som kan hjælpe med at fremme globale atmosfæriske modeller, "sagde CIRES -stipendiat og CU Boulder professor i luftfartsingeniørvidenskab Xinzhao Chu, hovedforfatter af den nye undersøgelse offentliggjort i dag i Journal of Geophysical Research—Atmospheres .

"Den nye forståelse stammer fra en række tidsskriftspublikationer, baseret på flere års lidar-observationer, mange lavet af vinterstuderende, fra Arrival Heights nær McMurdo Station i Antarktis. "

I avisen fra 2016, Chu og hendes kolleger opdagede vedvarende tyngdekraftsbølger:enorme krusninger, der fejer gennem den øvre atmosfære i 3- til 10-timers perioder. Og nu, ved at kombinere observationer, teori, og modeller, de foreslår to mulige oprindelser af disse bølger:de er enten fra bølger på lavere niveau, der bryder og re-exciterer nye bølger højere på himlen, og/eller fra polære hvirvelvind.

Siden 2016, holdet formåede at spore oprindelsen af ​​de øvre atmosfæriske bølger ned til stratosfæren i lavere højde. Holdet karakteriserede derefter de dominerende tyngdekraftsbølger der, men fandt ud af, at de havde meget andre egenskaber end de vedvarende bølger i den øvre atmosfære.

"Bølgerne i den øvre atmosfære er enorme, med en vandret længde på omkring 1, 200 miles (2, 000 km), og den nederste, stratosfæriske bølger er meget mindre - kun 250 miles (400 km), " sagde Jian Zhao, en ph.d. kandidat i CU Aerospace, arbejder i Chus gruppe, som blev vinteren 2015 over på McMurdo for lidar-observationer.

Zhao og kolleger beskrev tidligere de stratosfæriske bølger i en tidligere undersøgelse, og han er anden forfatter til det nye studie, der beskriver, hvordan bølgeenergien varierer over årstider og år – at dokumentere den slags variationer er afgørende for forskere, der forsøger at forstå, hvordan bølgerne påvirker ting som global luftcirkulation og klimaændringer.

Holdet har mistanke om, at når disse lavere, mindre stratosfæriske tyngdekraftsbølger bryder, de udløser dannelsen af ​​de enorme bølger, der derefter rejser til den øvre atmosfære gennem en proces kaldet "sekundær bølgegenerering."

Beviser fra lidar-data på McMurdo-stationen, der peger på denne proces, blev beskrevet i et papir offentliggjort i år, ledet af Sharon Vadas, en forsker fra Northwest Research Associates, og kolleger.

"Det ligner havbølger, der bryder på en strand, " sagde Vadas. "Når vinden strømmer ned ad skråningen fra bjergene nær McMurdo, de ophidsede bjergbølger rejser opad i atmosfæren, vokser sig større og større, indtil de bryder over enorme skalaer, skaber disse sekundære tyngdekraftsbølger."

Forståelsen af ​​bølgernes oprindelse var afhængig af Vadas' teori om sekundære gravitationsbølger og en global, model i høj opløsning skabt af Erich Becker ved Leibniz Institute of Physics i Tyskland. Beckers model hæfter teorien og lidar-observationerne perfekt sammen. Det tyder på, at sekundær bølgedannelse er særlig vedvarende om vinteren, og at det ikke kun forekommer på McMurdo Station, men på mellem til høje breddegrader i begge halvkugler.

En anden mulig kilde til de vedvarende bølger er den polare hvirvel – et vedvarende mønster af vind og vejr, der roterer rundt om Sydpolen om vinteren, Chu og hendes kolleger rapporterede i det seneste papir.

"De hurtige hvirvelvinde kunne enten ændre bølgerne, når de bevæger sig opad, eller vinden kan faktisk selv generere bølger, "sagde Lynn Harvey, en medforfatter på undersøgelsen, og forsker ved Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) ved CU Boulder. "Med flere observationer, vi burde være i stand til at afgøre, hvilket scenarie der er sandt."

Chu og hendes forskerkolleger sidder nogle gange ved skriveborde og kører computermodeller og beregninger, og nogle gange er de bundtet fra top til tå, gå gennem stærk vind og kolde temperaturer langt under nul grader F i Antarktis for at køre banebrydende lidar-systemer installeret der.

Det National Science Foundation-administrerede U.S. Antarctic Program og Antarctica New Zealand-programmet har støttet holdets arbejde i Antarktis i otte år, startende med installationen af ​​Chus specialbyggede lidarsystemer, hvilket gør det muligt for hendes team at undersøge de områder af atmosfæren, der er sværest at observere. At studere atmosfæriske bølger nær Sydpolen er afgørende for at forbedre klima- og vejrmodeller, og danner et bedre billede af den globale atmosfæriske adfærd.

"Vi har stadig mange ubesvarede spørgsmål, " sagde Chu. "Men om cirka fem år, ved hjælp af en kombination af observationer og modeller i høj opløsning, vi håber at løse disse mysterier."

To af hendes studerende - nyuddannet Ian P. Geraghty og Ph.D. studerende Zimu Li — vil rejse til Antarktis i oktober for at fortsætte forskningen.