Новое исследование, основанное на данных за два десятилетия, показывает, что за десять лет после ее начала в 2000 году мегазасуха на юго-западе Северной Америки (ЮЮА) вызвала 30-процентное изменение активности гравитационных волн в верхних слоях атмосферы Земли.
Более 30 лет назад Честер Гарднер с факультета электротехники и вычислительной техники UIUC и Чиао-Яо Ше с факультета физики Колорадского государственного университета объединились для изучения средней атмосферы Земли. Используя натриевый резонансный лазерный радар (лидар), Гарднер и Ше разработали и продемонстрировали важный новый метод измерения профилей температуры в верхних слоях атмосферы Земли.
Впоследствии они смогли наблюдать изменения гравитационных волн в верхних слоях атмосферы в двух местах (Альбукерке, Нью-Мексико и Форт-Коллинз, Колорадо) в течение 20-летнего периода. Их результаты, описывающие, как волны изменились после начала засухи, теперь опубликованы в Geophysical Research Letters.
В 1994 году группа под руководством Гарднера установила лидарную систему на большой телескоп на оптическом полигоне Starfire за пределами Альбукерке, штат Нью-Мексико, на базе ВВС Киртланд. Лидарная система измеряла температуру и ветер в верхних слоях атмосферы, используя атомарный натрий в качестве целевых частиц до конца 2000 года.
Источником этого атомарного натрия являются частицы космической пыли, которые испаряются в атмосфере Земли. С помощью лазерного луча можно возбудить атомарный натрий, заставив его светиться. Телескоп на земле собирает обратно рассеянный свет флуоресценции натрия, и компьютеры обрабатывают эту информацию для получения профилей плотности натрия, температуры и радиальной скорости ветра. Ее команда из CSU сделала аналогичные наблюдения в Ft. Коллинз, штат Колорадо, в конечном итоге составил обширный набор данных за 20 лет с 1990 по 2010 год.
Открытие изменений волновой активности во время мегазасухи было удачным побочным продуктом других исследований. Исследователи изучали, как температура и ветер колеблются в верхних слоях атмосферы из-за волн, генерируемых в нижних слоях атмосферы, и были удивлены, обнаружив значительные изменения активности гравитационных волн после начала засухи.
«Мы никогда не ожидали, что проведем наблюдения, которые дадут некоторое представление о том, как засуха может повлиять на верхние слои атмосферы Земли», — говорит Гарднер.
Взглянув на данные Гарднера из Альбукерке и данные Ше из Форт. Коллинз, они обнаружили значительное снижение (~30%) волновой активности после начала засухи. Изменения в активности гравитационных волн могут быть связаны с уменьшением генерации волн тропосферными штормами во время мегазасухи и с изменением географического распределения осадков на западе и Среднем Западе США. Проще говоря, меньше осадков означает меньше штормов, поэтому штормы вызывают меньше волн.
Что такое мегазасуха?
Мегазасуха — это продолжительный период засухи, длящийся два десятилетия и более. Мегазасуха на юго-западе Северной Америки началась в 2000 году и продолжается 22 года спустя, и конца ей не видно.
Гарднер и Ше говорят, что мегазасуха ЮСЯА значительна не только из-за ее продолжительности, но и из-за размера пострадавшего географического региона, который простирается от северной Мексики до северных границ Орегона и Вайоминга и от Тихоокеанского побережья до восточные границы штатов Вайоминг, Колорадо и Нью-Мексико.
Эта конкретная мегазасуха считается самым засушливым 22-летним периодом в регионе с 800 г. н.э. Утверждалось, что вызванное деятельностью человека потепление атмосферы Земли могло быть причиной более 40% серьезности мегазасухи.
Гравитационные волны (не гравитационные волны)
Гравитационные волны — не путать с гравитационными волнами , связанными с такими космологическими явлениями, как черные дыры , — возникают на границе раздела двух сред, когда гравитация или плавучесть пытаются восстановить равновесие. Гарднер объясняет, что этот эффект подобен падению камня в пруд с водой. Камень вытесняет поверхность пруда, толкая воду вниз; плавучесть восстанавливает воду, которая затем колеблется, создавая кольцо волн, распространяющихся наружу. Это гравитационные волны.
Одним из способов образования волн в нижних слоях атмосферы является штормовая конвекция, которая вызывает гравитационные волны, вызывая вертикальное движение, приводящее к колебаниям. Волны также могут создаваться воздушным потоком над топографическими объектами, такими как горы, которые вытесняют воздух вверх.
В то время как волны в пруду распространяются только вдоль границы раздела воздух-вода, гравитационные волны в атмосфере распространяются во всех направлениях. Такие волны вызывают глобальную циркуляцию верхних слоев атмосферы и могут влиять на космическую погоду и орбиты спутников.
Впечатляющие результаты
Гарднер и Ше говорят, что эта работа важна, потому что она демонстрирует, что региональные изменения в нижних слоях атмосферы могут также влиять на верхние слои атмосферы . Они считают, что впервые в верхних слоях атмосферы наблюдается региональный климатический эффект .
Результаты могут быть использованы для тестирования и проверки следующего поколения региональных компьютерных моделей атмосферы с высоким разрешением, которые могут разрешать мелкомасштабные волны, наблюдаемые с помощью лидара.
Гарднер объясняет: «Существующие атмосферные модели не могут видеть волны, потому что разрешения даже самых быстрых компьютерных моделей недостаточно, чтобы увидеть масштаб этих волн. Сейчас ученые разрабатывают региональные модели с очень высоким разрешением, чтобы модели можно увидеть волны большего масштаба. Наши наблюдения можно использовать для проверки точности этих моделей и их подтверждения».
