Tyngdekraftsbølgeindsigt fra internetstrålende balloner

Kæmpe balloner lanceret i stratosfæren for at stråle internettjenester til Jorden har hjulpet forskere med at måle små krusninger i vores øvre atmosfære, afdække mønstre, der kunne forbedre vejrudsigter og klimamodeller.

Krusninger, kendt som tyngdekraftsbølger eller opdriftsbølger, dukker op, når klatter af luft tvinges opad og derefter trækkes ned af tyngdekraften. Forestil dig en luftpakke, der suser over bjerge, styrter mod kølige dale, transport over land og hav og ricochets af voksende storme, bobbing op og ned mellem lag af stabil atmosfære i et stort tovtræk mellem opdrift og tyngdekraft. En enkelt bølge kan rejse tusinder af miles, bærer momentum og varme undervejs.

Selvom mindre kendte end gravitationsbølger-bølger i rumtiden-atmosfæriske tyngdekraftsbølger er allestedsnærværende og kraftfulde, sagde atmosfærisk videnskabsmand ved Stanford University Aditi Sheshadri, seniorforfatter af en ny undersøgelse, der beskriver ændringer i højfrekvente tyngdekraftsbølger på tværs af årstider og breddegrader. De forårsager noget af den turbulens, der mærkes på fly, der flyver i klar himmel og har en stærk indflydelse på, hvordan storme udspiller sig på jorden.

Højtflyvende balloner

Udgivet 30. august i Journal of Geophysical Research:Atmosfærer , den nye forskning trækker på overtryksballondata fra virksomheden Loon LLC, som designet ballonerne til at give internetadgang til områder, der ikke er tjent med celletårne ​​eller fiberoptiske kabler. Spundet ud af Google -moderselskabet Alphabet i 2018, Loon har sendt tusinder af sensorbelastede balloner, der sejler 12 miles op i stratosfæren-langt over kommercielle fly og de fleste skyers højde-i 100 dage eller mere i strækning.

"Dette var bare en meget heldig ting, fordi de ikke indsamlede data til nogen videnskabelig mission. Men, I øvrigt, de måler tilfældigt position og temperatur og tryk, "sagde Sheshadri, som er adjunkt i jordsystemvidenskab ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth).

Forskerne beregnede tyngdekraftsbølgebevægelser fra data, som balloner indsamlede over 6, 811 separate 48-timers perioder fra 2014 til 2018. "At afvikle en tilsvarende videnskabelig kampagne ville være frygtelig dyrt. Med Loon-data, analysen er mere rodet, fordi dataindsamlingen var tilfældig, men den har næsten global dækning, "Sagde Sheshadri.

Små bølger, planetarisk påvirkning

Tyngdekraftsbølger er en vigtig del af atmosfærisk dynamik. "De hjælper med at drive den samlede cirkulation af atmosfæren, men nogle tyngdekraftsbølger er for små og for hyppige til at blive observeret med satellitter, "sagde undersøgelsens hovedforfatter, Erik Lindgren, der arbejdede på forskningen som postdoktor i Sheshadris laboratorium. "Det er de tyngdekraftsbølger, vi har fokuseret på i denne undersøgelse." Tidligere undersøgelser med atmosfæriske balloner til at spore højfrekvente tyngdekraftsbølger har typisk inkorporeret data fra ikke mere end et par dusin ballonflyvninger, dækker mindre områder og færre årstider.

Loon-dataene viste sig særlig værdifulde til beregning af højfrekvente tyngdekraftsbølger, som kan stige og falde hundredvis af gange på en dag, over afstande fra et par hundrede fod til hundredvis af miles. "De er bittesmå, og de ændrer sig i tidsintervaller på minutter. Men i en integreret forstand, de påvirker, for eksempel, jetstrømmenes momentumbudget, som er denne massive planetariske ting, der interagerer med storme og spiller en vigtig rolle i at sætte deres kurs, "Sagde Sheshadri.

Tyngdekraftsbølger påvirker også polarvirvelen, en hvirvel af frigid luft, der normalt svæver over Nordpolen og kan sprænge ekstrem kulde i dele af Europa og USA i flere måneder ad gangen. Og de interagerer med den kvasi-toårige svingning, hvori, cirka hver 14. måned, vindbæltet, der blæser højt over ækvator, vender retning - med store påvirkninger af ozonnedbrydning og overfladevejr langt ud over troperne.

Som resultat, forståelse af tyngdekraftsbølger er nøglen til at forbedre vejrudsigterne på regional skala, især da global opvarmning fortsat forstyrrer historiske mønstre. "At få tyngdekraftens bølger til at passe ville hjælpe med at begrænse cirkulationsresponserne på klimaændringer, ligesom hvor meget det kommer til at regne på et bestemt sted, antallet af storme - dynamiske ting som vind og regn og sne, "Sagde Sheshadri.

Bygger bedre modeller

Nuværende klimamodeller estimerer virkningerne af højfrekvente tyngdekraftsbølger på cirkulation i en slags sort boks, med få begrænsninger fra virkelige observationer eller anvendelse af den begrænsede eksisterende viden om de fysiske processer, der spiller. "Indtil nu, det har ikke været helt klart, hvordan disse bølger opfører sig i forskellige regioner eller over årstiderne ved meget høje frekvenser eller små skalaer, "Sagde Lindgren.

Sheshadri og kolleger fokuserede på energi forbundet med højfrekvente tyngdekraftsbølger på forskellige tidsskalaer, og hvordan den energi varierer på tværs af årstider og breddegrader. De fandt ud af, at disse bølger er større og opbygger mere kinetisk energi i troperne og om sommeren; mindre bølger, der bevæger sig med mindre energi, er mere almindelige tæt på polerne og om vinteren. De fandt også tyngdekraftsbølger, der ændrede sig i synkronisering med faserne i den kvasi-toårige oscillation. "Vi afdækkede tydelige ændringer i tyngdekraftsbølgeaktiviteten på forskellige tidspunkter af året og over forskellige dele af kloden, "Sagde Lindgren." Om præcis hvorfor det ikke er klart. "

I fremtidig forskning, Sheshadri sigter mod at identificere, hvilke tyngdekraftsbølgekilder der er ansvarlige for disse forskelle, og at ekstrapolere tyngdekraftsbølgeamplituder ved meget høje frekvenser fra relativt sjældne observationer. Hun sagde, "Forstå hvordan tyngdekraftsbølger driver cirkulation i atmosfæren, interaktionen mellem disse bølger og den gennemsnitlige strømning - det er virkelig den næste grænse for at forstå atmosfærisk dynamik. "