Två år efter att ett CIRES- och CU Boulder-team upptäckte en tidigare okänd klass av vågor som kontinuerligt porlande genom den övre Antarktiska atmosfären, de har avslöjat lockande ledtrådar till vågornas ursprung. Det tvärvetenskapliga vetenskapsteamets arbete för att förstå bildandet av "ihållande tyngdkraftsvågor" lovar att hjälpa forskare att bättre förstå sambanden mellan lagren av jordens atmosfär och hjälpa till att bilda en mer fullständig förståelse av luftcirkulationen runt om i världen.

"En stor bild av antarktiska gravitationsvågor från ytan hela vägen till termosfären dyker upp från studierna, som kan bidra till att utveckla globala atmosfäriska modeller, "säger CIRES -stipendiat och CU Boulder professor i flygteknikvetenskap Xinzhao Chu, huvudförfattare till den nya studien som publiceras i dag i Journal of Geophysical Research—Atmospheres .

"Den nya förståelsen är resultatet av en rad tidskriftspublikationer, baserat på flera år av lidarobservationer, många gjorda av vinterstudenter, från Arrival Heights nära McMurdo Station i Antarktis. "

I 2016 -tidningen, Chu och hennes kollegor upptäckte ihållande tyngdkraftsvågor:enorma krusningar som sveper genom den övre atmosfären under 3- till 10-timmarsperioder. Och nu, genom att kombinera observationer, teori, och modeller, de föreslår två möjliga ursprung för dessa vågor:de är antingen från vågor på lägre nivå som bryter och återupplivar nya vågor högre upp på himlen, och/eller från polära virvelvindar.

Sedan 2016 har teamet lyckades spåra ursprunget till de övre atmosfäriska vågorna ner till stratosfären på lägre höjd. Teamet karakteriserade sedan de dominerande gravitationsvågorna där, men fann att de hade mycket olika egenskaper än de ihållande vågorna i den övre atmosfären.

"Vågorna i den övre atmosfären är enorma, med en horisontell längd på cirka 1, 200 miles (2, 000 km), och den lägre, stratosfäriska vågor är mycket mindre - bara 250 miles (400 km), sa Jian Zhao, en Ph.D. kandidat inom CU Aerospace, arbetar i Chus grupp, som stannade vintern 2015 på McMurdo för lidarobservationer.

Zhao och kollegor beskrev tidigare stratosfäriska vågor i en tidigare studie, och han är andra författare till den nya studien som beskriver hur vågenergin varierar över årstider och år – att dokumentera den typen av variationer är avgörande för forskare som försöker förstå hur vågorna påverkar saker som global luftcirkulation och klimatförändringar.

Teamet misstänker att när dessa sänker, mindre skala stratosfäriska gravitationsvågor bryter, de utlöser bildandet av de enorma vågorna som sedan färdas till den övre atmosfären genom en process som kallas "sekundärvåggenerering".

Bevis från lidardata vid McMurdo -stationen som pekar på denna process beskrevs i en artikel publicerad i år, ledd av Sharon Vadas, en forskare från Northwest Research Associates, och kollegor.

"Det liknar havsvågor som bryter på en strand, " sade Vadas. "När vinden flyter nedförsbacke från bergen nära McMurdo, de upphetsade bergsvågorna färdas uppåt i atmosfären, växer sig större och större tills de går över stora skalor, skapa dessa sekundära gravitationsvågor. "

Att förstå vågornas ursprung förlitade sig på Vadas teori om sekundära gravitationsvågor och en global, högupplöst modell skapad av Erich Becker vid Leibniz Institute of Physics i Tyskland. Beckers modell syr ihop teorin och lidarobservationerna perfekt. Det tyder på att sekundär vågbildning är särskilt ihållande under vintern, och att det inte bara sker på McMurdo Station, men på mitten till höga breddgrader i båda halvklotet.

En annan möjlig källa till de ihållande vågorna är polarvirveln - ett beständigt mönster av vind och väder som roterar runt Sydpolen under vintern, Chu och hennes kollegor rapporterade i den senaste tidningen.

"De snabba virvelvindarna kan antingen modifiera vågorna när de rör sig uppåt, eller så kan vindarna faktiskt generera vågor själva, sa Lynn Harvey, en medförfattare på studien, och forskare vid Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) vid CU Boulder. "Med fler observationer, vi borde kunna avgöra vilket scenario som är sant."

Chu och hennes forskarkollegor befinner sig ibland vid skrivbord och kör datormodeller och beräkningar, och ibland buntas de från topp till tå, gå genom starka vindar och kyliga temperaturer långt under noll grader F i Antarktis för att köra avancerade lidar-system installerade där.

National Science Foundation-ledda U.S. Antarctic Program och Antarctica New Zealand-programmet har stött teamets arbete i Antarktis i åtta år, börjar med installationen av Chus specialbyggda lidarsystem, vilket gör att hennes team kan undersöka de områden i atmosfären som är svårast att observera. Att studera atmosfäriska vågor nära Sydpolen är avgörande för att förbättra klimat- och vädermodeller, och bilda en bättre bild av det globala atmosfäriska beteendet.

"Vi har fortfarande många obesvarade frågor, " sa Chu. "Men om ungefär fem år, med en kombination av observationer och högupplöst modellering, vi hoppas kunna lösa dessa mysterier."

Två av hennes studenter - nyutexaminerad Ian P. Geraghty och doktorand. studenten Zimu Li—kommer att resa till Antarktis i oktober för att fortsätta forskningen.