Jättelika ballonger som lanserades i stratosfären för att stråla internettjänst till jorden har hjälpt forskare att mäta små krusningar i vår övre atmosfär, avslöja mönster som kan förbättra väderprognoser och klimatmodeller.

Krusningarna, känd som gravitationvågor eller flytvågor, dyker upp när luftfläckar tvingas uppåt och sedan dras ner av tyngdkraften. Föreställ dig ett luftpaket som rusar över berg, störtar mot svala dalar, skyttlar över land och hav och ricochets av växande stormar, slingrar upp och ner mellan lager av stabil atmosfär i en stor dragkamp mellan flytkraft och tyngdkraft. En enda våg kan färdas i tusentals miles, bär fart och värme längs vägen.

Även om mindre kända än gravitationella vågor-böljningar i tyget av rymdtid-är atmosfäriska tyngdkraftsvågor allestädes närvarande och kraftfulla, sa Stanford Universitys atmosfäriska forskare Aditi Sheshadri, senior författare till en ny studie som beskriver förändringar i högfrekventa gravitationsvågor över säsonger och breddgrader. De orsakar en del av den turbulens som känns på flygplan som flyger i klar himmel och har ett starkt inflytande på hur stormar spelar ut på marknivå.

Högflygande ballonger

Publicerad 30 augusti i Journal of Geophysical Research:Atmospheres , den nya forskningen bygger på övertrycksballongdata från företaget Loon LLC, som utformade ballongerna för att ge internetuppkoppling till områden som inte serveras av celltorn eller fiberoptiska kablar. Slogs ur Googles moderbolag Alphabet 2018, Loon har skickat tusentals sensorbelastade ballonger som seglar 12 mil upp i stratosfären-långt över kommersiella plan och de flesta moln-i 100 dagar eller mer i sträck.

"Det här var bara en mycket lycklig sak eftersom de inte samlade in data för något vetenskapligt uppdrag. Men, tillfälligtvis, de råkade mäta position och temperatur och tryck, "sade Sheshadri, som är biträdande professor i jordsystemvetenskap vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth).

Forskarna beräknade tyngdvågsrörelser från data som ballonger samlat in över 6, 811 separata 48-timmarsperioder från 2014 till 2018. "Att montera en motsvarande vetenskaplig kampanj skulle vara fruktansvärt dyrt. Med data från Loon, analysen är rörigare eftersom datainsamlingen var tillfällig, men den har nästan global täckning, "Sa Sheshadri.

Små vågor, planetpåverkan

Gravitationsvågor är en viktig del av atmosfärens dynamik. "De hjälper till att driva atmosfärens totala cirkulation, men vissa gravitationsvågor är för små och för frekventa för att observeras med satelliter, "sa studiens huvudförfattare, Erik Lindgren, som arbetade med forskningen som postdoktor i Sheshadris laboratorium. "Det här är gravitationsvågorna vi har fokuserat på i den här studien." Tidigare studier med atmosfäriska ballonger för att spåra högfrekventa gravitationsvågor har vanligtvis inkorporerat data från högst några dussin ballongflyg, täcker mindre områden och färre årstider.

Loon-data visade sig vara särskilt värdefulla för beräkning av högfrekventa gravitationsvågor, som kan stiga och falla hundratals gånger på en dag, över sträckor från några hundra fot till hundratals miles. "De är små och de ändras i tidsfrister på minuter. Men i en integrerad mening, de påverkar, till exempel, jetströmens momentumbudget, som är denna massiva planetariska grej som interagerar med stormar och spelar en viktig roll för att sätta sin kurs, "Sa Sheshadri.

Gravitationsvågor påverkar också polarvirveln, en virvel av kall luft som vanligtvis svävar över nordpolen och kan spränga extrem kyla in i delar av Europa och USA i flera månader i taget. Och de interagerar med den kvasi-tvååriga oscillationen, i vilken, ungefär var 14:e månad, vindbältet som blåser högt över ekvatorn vänder riktning - med stora effekter på utarmning av ozon och ytväder långt bortom tropikerna.

Som ett resultat, förståelse av gravitationens vågor är nyckeln till att förbättra väderprognoser i regional skala, särskilt när den globala uppvärmningen fortsätter att störa historiska mönster. "Att få gravitationens vågor rätt skulle hjälpa till att begränsa cirkulationsresponserna mot klimatförändringar, som hur mycket det kommer att regna på en viss plats, antalet stormar - dynamiska saker som vind och regn och snö, "Sa Sheshadri.

Att bygga bättre modeller

Nuvarande klimatmodeller uppskattar effekterna av högfrekventa gravitationsvågor på cirkulationen i en sorts svart låda, med få begränsningar från verkliga observationer eller tillämpning av den begränsade befintliga kunskapen om de fysiska processerna som spelas. "Tills nu, det har inte varit helt klart hur dessa vågor beter sig i olika regioner eller under årstiderna vid mycket höga frekvenser eller små skalor, Sa Lindgren.

Sheshadri och kollegor fokuserade på energi i samband med högfrekventa gravitationsvågor vid olika tidsskalor, och hur den energin varierar mellan årstider och breddgrader. De fann att dessa vågor är större och bygger upp mer kinetisk energi i tropikerna och under sommaren; mindre vågor som rör sig med mindre energi är vanligare nära polerna och under vintern. De fann också att gravitationens vågor förändrades i synkronisering med faserna av den kvasi-tvååriga oscillationen. "Vi avslöjade tydliga förändringar i gravitationens vågaktivitet vid olika tider på året och över olika delar av världen, "Sa Lindgren." Exakt varför är inte klart. "

I framtida forskning, Sheshadri syftar till att identifiera vilka gravitationskällor som är ansvariga för dessa skillnader, och att extrapolera gravitationens vågamplituder vid mycket höga frekvenser från relativt sällsynta observationer. Hon sa, "Förstå hur gravitationens vågor driver cirkulationen i atmosfären, samspelet mellan dessa vågor och det genomsnittliga flödet - det är verkligen nästa gräns för förståelse av atmosfärisk dynamik. "