Гравитационные волны возникают, когда воздушные массы толкаются вверх или вниз — возможно, из-за грозы или когда ветер поднимается вверх и над горным хребтом, — но в нижних слоях атмосферы их воздействие обычно остается региональным. Однако к тому времени, когда они достигают верхних слоев атмосферы, волны увеличиваются по амплитуде и размаху. Там они могут доминировать над атмосферными процессами в гораздо большем масштабе, иногда угрожая надежности наземных систем связи.
Впервые ученые нашли способ «наблюдать» за распространением гравитационных волн в космос — и вид завораживает. Хитрость, по мнению группы исследователей под руководством старшего научного сотрудника NCAR Ханли Лю, заключалась в том, чтобы довести основанную на NCAR модель климата сообщества всей атмосферы до разрешения, достаточного для улавливания гравитационных волн в их источнике, когда они еще относительно маленький.
«Мы никогда раньше не видели глобальную картину гравитационных волн в верхних слоях атмосферы, ни на основании наблюдений, ни при моделировании, даже несмотря на то, что мы подозревали их важность там», — сказал Лю, изучающий верхние слои атмосферы в высокогорной обсерватории NCAR. «Это первый раз, когда нам удалось запечатлеть эти волны с помощью компьютерной модели всей атмосферы».Стандартная версия модели дает только размытый взгляд на явления, происходящие на масштабах менее 2000 км (около 1243 миль) в поперечнике, и не видит ничего, что меньше 200 км. Модель с более высоким разрешением обеспечивает более четкое зрение вплоть до 200 км. Высокая вычислительная мощность системы Йеллоустонского суперкомпьютерного центра NCAR-Вайоминг сделала возможными запуски с более высоким разрешением.
В исследовании, опубликованном в журнале Geophysical Research Letters, Лю и его коллеги продемонстрировали возможности более мелкомасштабной модели, показав, как гравитационные волны, подобные тем, которые были созданы тропическим циклоном к востоку от Австралии, нарастали по мере продвижения вверх. Модель показывает, что то, что начинается как локализованное явление, распространяется по всему Тихоокеанскому региону на высоте 100 км над поверхностью Земли.
«Что касается средней и нижней атмосферы, если вы пропустите гравитационную волну, вы не потеряете слишком много», — сказал Лю. «Но это другая история в верхних слоях атмосферы».Возмущения в верхних слоях атмосферы, которые могут поставить под угрозу спутники, исказить показания GPS и прекратить радиопередачу, часто считаются источником Солнца, откуда солнечные бури могут вызвать геомагнитные бури вокруг Земли.
Но ионосфера, верхние слои атмосферы, подверженные влиянию такой космической погоды, также подвержены влиянию возмущений, происходящих с Земли.Ученым может быть трудно распутать эти земные возмущения, когда активность солнечной бури высока, но относительное спокойствие Солнца во время последнего солнечного цикла дало ученым возможность сосредоточиться на возмущениях, достигающих ионосферы снизу, создавая более полная картина процессов в ионосфере.
«Когда гравитационные волны распространяются к нижней части ионосферы, они могут вызвать нестабильность», — сказал Лю. «Если вы хотите лучше понять космическую погоду — ионосферу — вам нужны возможности такого рода моделирования».Видео: https://www.youtube.com/watch?v=6SqMCIKV364