Po raz pierwszy odkryto pochodzenie tajemniczych zmarszczek zwanych falami grawitacyjnymi nad niebem Antarktydy
Naukowcy wykryli fale grawitacyjne nad niebem Antarktydy w roku 2016. Fale grawitacyjne , wcześniej nieznane, są charakterystyczne dla dużych zmarszczek, które nieustannie przetaczają się przez górną atmosferę Antarktydy w okresach 3-10 godzin. Wiadomo, że fale te często rozprzestrzeniają się w atmosferze Ziemi, a także, że mają tendencję do zanikania po pewnym czasie. Jednak nad Antarktydą fale te są bardzo trwałe, co widać w okresowych obserwacjach naukowców. Nazwano je „falami grawitacyjnymi”, ponieważ powstały głównie pod wpływem siły grawitacji Ziemi i jej obrotu i rozciągały się na 3000 kilometrów w warstwie mezosfery. Głównymi warstwami atmosfery Ziemi są troposfera, stratosfera, mezosfera i termosfera, będąca warstwą najbardziej wysuniętą. W tamtym momencie w 2016 roku naukowcy wciąż nie byli w stanie zrozumieć pochodzenia tych fal. Istotne jest jednak ustalenie źródła fal grawitacyjnych, aby zrozumieć powiązania między różnymi warstwami atmosfery ziemskiej, co może nam dostarczyć cennych informacji o tym, jak powietrze krąży wokół naszej planety.
Śledzenie pochodzenia fal grawitacyjnych
W badaniu opublikowanym w Journal of Geophysical Research ta sama grupa badaczy połączyła swoje obserwacje w czasie rzeczywistym z informacjami teoretycznymi i modelami, aby wygenerować wskazówki dotyczące fal grawitacyjnych 1 . Zaproponowali dwa możliwe wyjaśnienia prawdopodobnego pochodzenia (jak i gdzie powstały) tych „trwałych” fal grawitacyjnych. Pierwsze założenie jest takie, że fale te albo pochodzą z mniejszych fal niższego poziomu w warstwie atmosferycznej poniżej mezosfery, tj. stratosfery (30 mil nad powierzchnią Ziemi). Wiatry, które spływają w dół gór, wywierają nacisk na te fale grawitacyjne niższego poziomu, powodując ich wzrost, a fale ostatecznie przemieszczają się wyżej do atmosfery. Gdy fale grawitacyjne docierają do końca stratosfery, załamują się i wzbudzają jak zmarszczki na oceanie, generując w ten sposób większe fale o długości poziomej do 2000 kilometrów (podczas gdy mniejsze, niższe fale mają długość 400 mil) i rozprzestrzeniają się znacznie w mezosferze. Ten szczególny sposób formowania się można nazwać „generowaniem fal wtórnych”. Autorzy zaobserwowali, że fale wtórne powstają bardziej trwale zimą niż w innych porach roku, a zatem przypuszcza się, że występują na średnich i wysokich szerokościach geograficznych na obu półkulach. Alternatywną, drugą możliwością, sugerowaną przez badaczy, jest to, że fale grawitacyjne pochodzą z wirującego wiru polarnego. Wir ten to obszar niskiego ciśnienia, który obraca się i przejmuje niebo nad Antarktydą zimą. Ten rodzaj wiatru i pogody krąży zimą wokół bieguna południowego. Takie szybko rotujące wiatry mogą zmieniać niskopoziomowe fale grawitacyjne, gdy przemieszczają się one ku górze w atmosferze, a nawet generować fale wtórne. Autorzy twierdzą, że każda z ich sugestii dotyczących pochodzenia fal grawitacyjnych może być trafna, a konkretne wnioski mogą nadal wymagać dalszych badań.
Badania na zimnej Antarktydzie
Aby zrozumieć pochodzenie na podstawie pierwszej propozycji, rozważono teorię wtórnych fal grawitacyjnych Vadasa wraz z opracowanym przez naukowców modelem o wysokiej rozdzielczości, a następnie sformułowano teorię. Badacze przeprowadzili modele komputerowe, symulacje i obliczenia. Wykorzystali również instalacje systemu lidar – laserową metodę pomiaru – dzięki której przetrwali w silnych zimnych wiatrach i ujemnych temperaturach na Antarktydzie. US Antarctic Program i Antarctica New Zealand finansowały je przez okres ośmiu lat na Antarktydzie. System lidar jest bardzo wydajny i wytrzymały oraz ma możliwość określania temperatury i gęstości w różnych regionach atmosfery. Z powodzeniem może rejestrować perturbacje wywołane falami grawitacyjnymi. Technika ta jest bardzo pomocna w rejestrowaniu rejonów atmosfery, które w inny sposób są najtrudniejsze do zaobserwowania. Badanie fal atmosferycznych na biegunie południowym jest ważne dla improwizacji modeli klimatycznych i pogodowych, które można wykorzystać zarówno do nagrywania w czasie rzeczywistym, jak i do celów badawczych. Nawet energię i pęd fal grawitacyjnych można zmierzyć potężnymi systemami lidarowymi.
Niniejsze badanie sugeruje, że fale grawitacyjne wpływają na globalną cyrkulację powietrza w atmosferze, która następnie wpływa na temperatury i ruch substancji chemicznych, wpływając na zmianę klimatu. Obecnie dostępne modele klimatyczne nie uwzględniają w pełni energii tych fal. Ważne jest, aby dowiedzieć się więcej o stratosferze, aby zrozumieć wpływ na warstwę ozonową, która znajduje się głównie w dolnych warstwach stratosfery. Dokładne zrozumienie fal grawitacyjnych, a zwłaszcza sposobu generowania fal wtórnych, może pomóc nam ulepszyć obecne modele symulacji obliczeniowych. Autorzy potwierdzają inne równoległe teorie dostępne 2 z 2016 r., które sugerują, że drgania szelfu lodowego Rossa na Antarktydzie, spowodowane falami oceanicznymi, mogą być odpowiedzialne za tworzenie tych zmarszczek i falowań atmosferycznych. Niniejsze badanie pomogło w stworzeniu jasnego obrazu globalnego zachowania atmosfery, chociaż wiele zagadek wciąż wymaga rozwiązania. Połączenie obserwacji i modelowania komputerowego może pomóc odkryć wiele innych tajemnic tego wszechświata.
***
Źródło (s)
1. Xinzhao C i in. 2018. Obserwacje fal grawitacyjnych stratosferycznych za pomocą lidaru w latach 2011–2015 w McMurdo (77.84°S, 166.69°E), Antarktyda: część II. Gęstości energii potencjalnej, rozkłady logarytmiczno-normalne i wahania sezonowe. Journal of Geophysics Research . https://doi.org/10.1029/2017JD027386
2. Oleg A i in. 2016. Drgania rezonansowe Lodowca Szelfowego Rossa i obserwacje trwałych fal atmosferycznych. Journal of Geophysical Research: Fizyka Kosmiczna.
https://doi.org/10.1002/2016JA023226
***
