Нове дослідження пов’язує погоду Землі із загадковою термосферою

Дослідники виявили, що ті ж принципи, які керують турбулентністю повітря в тропосфері, застосовуються і в термосфері. Дослідження, опубліковане в журналі Geophysical Research Letters, показує, що турбулентність в термосфері підпорядковується тим же фізичним законам, що і вітер в нижніх шарах атмосфери. Крім того, дослідження виявило, що вітер у термосфері переважно обертається циклонічно, тобто проти годинникової стрілки в Північній півкулі і за годинниковою стрілкою в Південній півкулі.

Отримані результати відкривають новий уніфікований принцип для різноманітних екологічних систем Землі і потенційно можуть покращити майбутнє прогнозування як земної, так і космічної погоди.

Нічні хмари в німецькому місті Кюлунгсборн. Їх делікатна і складна структура та рух вказують на наявність атмосферних гравітаційних хвиль і турбулентності. Копирайт изображения: Герд Баумгартен/Інститут фізики атмосфери ім. Лейбніца

Рано чи пізно ми налаштовуємося на перегляд останнього прогнозу погоди, і хоча він дає нам гарне уявлення про наші щоденні атмосферні умови, дослідження, які спрямовані на вивчення того, як рухається повітря на Землі, є запаморочливо складними.

«На фундаментальному рівні ми вивчаємо взаємодію кінетичної енергії в атмосфері в різних розмірах і масштабах, ця енергія переважно у формі вітру і турбулентності. Протягом десятиліть величезна кількість даних дала нам розуміння того, як ця енергія тече і розсіюється, впливаючи на погоду в тропосфері, найнижчому шарі атмосфери», — пояснює професор Хуісін Лю з факультету природничих наук Університету Кюсю, який очолював дослідження. «Моє дослідження зосереджене на рухах у верхніх шарах атмосфери, зокрема в термосфері, де ми вивчаємо відповідні закони, що керують динамікою та потоками енергії в цьому регіоні».

Дослідницька співпраця та результати

Термосфера — це частина атмосфери на висоті приблизно 80-550 км над рівнем моря, яку часто називають воротами в космос. Це критично важливий регіон для космічної діяльності, і саме тут знаходиться Міжнародна космічна станція та більшість супутників. Тут також формуються полярні сяйва.

Лю співпрацював з дослідником метеорології доктором Факундо Л. Поблетом з Інституту фізики атмосфери ім. Лейбніца при Ростокському університеті, чия робота зосереджена на динаміці та турбулентності в нижніх шарах атмосфери нижче висоти 100 км.

«Мої дослідження стосуються космічної фізики, і я хотів перевірити, чи можемо ми застосувати його метеорологічні методи до моєї сфери досліджень», — пояснює Лю.

Команда проаналізувала дані про вітер у термосфері, отримані з двох супутників: Challenging Minisatellite Payload (CHAMP) та Gravity Field and Steady State Ocean Circulation Explorer (GOCE). Використовуючи ці дані, команда розрахувала структурну функцію вітру третього порядку — статистичну величину, яка надає інформацію про основну турбулентність. На свій подив, вони виявили, що термосфера демонструє подібний закон масштабування до нижніх шарів атмосфери.

«Це означає, що і термосфера, і тропосфера — незважаючи на кардинально різний склад і динаміку атмосфери — підпорядковуються одним і тим же фізичним законам. Те, як енергія тече і розсіюється в цих двох регіонах, дуже схоже», — продовжує Лю.

Незважаючи на значний прогрес у розумінні термосфери, складна взаємодія турбулентності і хвиль на різних масштабах залишається в основному невловимою, і команда рада, що їхні результати проливають нове світло на цей недосліджений аспект динаміки ближнього космосу.

«Подібно до прогнозування атмосферної погоди, розуміння розподілу енергії в термосфері є життєво важливим для поглиблення нашого розуміння космічної динаміки», — підсумовує Лю. «Ми сподіваємося, що ці висновки можуть бути використані для поліпшення прогнозування космічної погоди і забезпечення безперервної функціональності і безпеки супутникових технологій, необхідних для повсякденного життя».