Badania stawiają na głowie zrozumienie wiatrów w górnych warstwach powietrza

Fizyk kosmiczny Mark Condy od lat 90. dostrzega coś intrygującego w danych z badań atmosferycznych. Ale dopiero trzy lata temu zdał sobie sprawę, że to dziwne zachowanie wiatrów na wyższym poziomie było prawdziwym zjawiskiem, a nie problemem sprzętowym.

Przekazał go więc swojemu studentowi, Rajanowi Itani, który przygotowuje doktorat z fizyki na University of Alaska Fairbanks.

Wynik: artykuł badawczy autorstwa Itaniego, którego współautorem jest Conde, który niedawno pojawił się jako starszy redaktor w Journal of the American Geophysical Union, Eos. Magazyn podaje, że mniej niż 2% gazet cieszy się taką uwagą.

Ten sam artykuł został opublikowany we wrześniu w Journal of Geophysical Research: Space Physics.

„Cieszę się, że nasza gazeta stała się jednym z najwybitniejszych redaktorów w Eos” – powiedział Itani. „To dumny moment w mojej karierze w fizyce kosmicznej, ponieważ reprezentuje moje pierwsze promowane badania. Jestem wdzięczny mojemu doradcy, dr Markowi Condy’emu, za zaproponowanie tematu badań oraz za jego niekończące się wsparcie i zachętę.”

Itani podkreślił, że transpolarny dżet, dobrze znany wiatr z górnej atmosfery, czasami w niewytłumaczalny sposób zatrzymuje się, odchyla lub odwraca, gdy dociera do regionu nad Alaską.

Odkrycie wywraca dotychczasowe zrozumienie do góry nogami.

Badania Itaniego w Instytucie Geofizyki UAF, z pomocą Conde i prowadzone głównie na podstawie danych z uniwersyteckiego zakresu badawczego Poker Flat, skoncentrowały się wyłącznie na regionie Alaski. Ale dżet polarny prawdopodobnie zatrzymałby się również w innym miejscu kuli ziemskiej, na dużych szerokościach geograficznych, gdzie wiatry wyłaniają się z czapy polarnej około północy.

Condé i Itani badali górną termosferę, obszar atmosfery o wysokości ponad 90 mil.

Ten dżet polarny przenosi rzadkie powietrze w tym regionie nad biegunem północnym od dziennej do nocnej strony Ziemi i przenosi je w kierunku równika, gdzie ulega rozproszeniu. Czasami, według badań Itaniego, siły napędzające wiatry nie są wystarczająco silne, aby przepchnąć je przez tylną atmosferę po nocnej stronie Ziemi.

„Ten dżet polarny jest główną, trwałą, wielkoskalową cechą górnych warstw atmosfery” – powiedział Condé, profesor na Wydziale Fizyki UAF. „Przestań tak, oznacza to, że trajektorie cząstek przenoszonych przez wiatr zmienią się dramatycznie”.

„Wszystkie modele komputerowe wskazują, że wiatry te wieją na pewną odległość w kierunku równika, a następnie zwalniają i łączą się z przepływem tła, podobnie jak ruch na autostradzie” – powiedział Conde. „Musi istnieć bardzo silny przepływ, który rozciąga się bardzo daleko w kierunku równika, ale okazuje się, że czasami uderza w ścianę nad Alaska. Naprawdę powinien trwać i rozprzestrzeniać się, tak jak mówią modele”.

Odkrycie to ma znaczenie dla orbit statków kosmicznych, unikania śmieci kosmicznych, modelowania burz jonosferycznych i naszej wiedzy na temat termosferycznego transportu powietrznego.

Termosfera jest znacznie mniej gęsta, prawie pusta, niż powietrze na powierzchni Ziemi. Oznacza to, że przypadkowe zatrzymanie się samolotu w poprzek biegunowości nie zostanie zauważone na powierzchni i nie wpłynie na życie tutaj.

Ale co powoduje to zwlekanie? To nie zostało jeszcze rozwiązane. Artykuł Itaniego zawiera jednak link: przegląd danych z siedmiu lat pokazuje „silny wpływ” aktywności słonecznej. Termiczne wyłączenie wiatru najprawdopodobniej nastąpi podczas minimum słonecznego, okresu niskich turbulencji na powierzchni Słońca.

Conde widział już w danych ustanie wiatru w różnych momentach od późnych lat 90., kiedy zaczął badać wpływ zorzy polarnej na wiatry termosferyczne nad Alaska.

„Nie byłem do końca pewien, czy to, co widziałem w danych, naprawdę odzwierciedlało to, co naprawdę robiła atmosfera, czy też było to po prostu coś dziwnego” – powiedział. „Przez długi czas nie mogłem tego sprawdzić, ponieważ nie było innej technologii, która mogłaby to zrobić.

„Ale przez lata, kiedy korzystaliśmy z wielu narzędzi i połączyliśmy dane z tych wielu narzędzi, w końcu doszedłem do wniosku, że to, co widzimy, było prawdziwym fenomenem” – powiedział.

Conde opublikował artykuł badawczy w 2018 roku, w którym zauważył, że wiatry termosferyczne ustały; Jednak artykuł Itaniego rozwija tę pracę bardziej szczegółowo.

„Szkolenie kolejnego pokolenia naukowców jest głównym celem wiodącej amerykańskiej instytucji badawczej, National Science Foundation, która sfinansowała prace” – powiedział Conde. W rezultacie wielu przełomowych badań jest prowadzonych przez doktorantów. Bardzo się cieszę, że praca Rajana w tej dziedzinie została uznana przez Amerykańską Unię Geofizyczną”.

Referencja:

1. NS. Itani, M. Conde. Charakterystyka nieoczekiwanego zlokalizowanego spowolnienia międzybiegunowego strumienia termicznego neutralnych wiatrów nad Alaską w sektorze północy. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2021; 126 (10) DOI: 10.1029/2020JA028916