Исследователи из Японии создали уникальный набор данных, который охватывает всю атмосферу Земли, включая космическое пространство.
Этот проект может помочь лучше понять процессы, происходящие в газообразной оболочке нашей планеты, в том числе загадочное полярное сияние.
Некоторые части атмосферы Земли постоянно исследуются с высокой точностью. Например, миллионы метеостанций по всему миру, сотни метеорологических шаров и бесчисленное количество самолётов ежедневно проводят измерения в тропосфере — нижнем слое атмосферы. Шары также достигают нижней части стратосферы — слоя над тропосферой.
Объём данных, получаемых в результате этих измерений, настолько велик, что позволяет создавать компьютерные модели погоды, которые практически не содержат ошибок.
Однако, если взглянуть чуть выше, то ситуация меняется. Мезосфера, слой атмосферы, расположенный над стратосферой и простирающийся почти до границы космоса, остаётся практически неизученной. О процессах, происходящих в мезосфере, известно так мало, что эту область иногда называют «игноросферой».
Этот пробел в наших знаниях обусловлен недоступностью игноросферы. Она находится слишком высоко для стратосферных аэростатов и, как правило, слишком низко для приборов на спутниках, находящихся на низкой околоземной орбите.
Специалисты из Токийского университета попытались решить эту задачу с помощью компьютерного моделирования. Они использовали редкие данные о метеорологических параметрах в атмосфере, полученные с помощью зондирующих ракет и наземных радаров и лидаров. Эти данные были загружены в новую систему ассимиляции, которую учёные ранее разработали.
Ассимиляция — это метод, который объединяет моделирование и прямые наблюдения для прогнозирования изменений в системе. Затем система была использована для реконструкции того, что происходит в мезосфере, чтобы заполнить пробелы в знаниях.
Японские исследователи использовали модель для получения данных за 19 лет, охватывающих эволюцию всей атмосферы на высоте до 110 километров. Затем они использовали дополнительные измерения мезонных ветров, полученные с помощью наземного радара, чтобы проверить некоторые параметры модели и убедиться в достоверности результатов.
Набор данных охватывает период с сентября 2004 года по декабрь 2023 года и позволит исследователям изучить и смоделировать некоторые загадочные явления, происходящие на больших высотах. Среди них — завораживающее северное сияние и его аналог в Южном полушарии — южное полярное сияние.
Для изучения тропосферы и стратосферы у нас есть множество данных, и численное моделирование для этих областей практически идеально, — поделился Каору Сато, профессор физики атмосферы в Токийском университете и ведущий исследователь проекта, в интервью Space.com. — В более высоких слоях атмосферы модели работают не так хорошо, поскольку у них нет точных данных об исходных условиях. Наш набор данных может это обеспечить».
Игноросфера — это область атмосферы, где происходит множество явлений, связанных с космической погодой. Когда потоки заряженных частиц от Солнца достигают нашей планеты, они смешиваются с разреженными газами высоко над Землёй, возбуждая молекулы воздуха. В результате молекулы излучают завораживающее свечение, которое мы наблюдаем на Земле в виде северного сияния. Но космическая погода оказывает на атмосферу и другие, менее заметные воздействия.
«Солнечные частицы высокой энергии могут изменять химический состав озона и разрушать озоновый слой, — сказал Сато. — Мы также знаем, что полярное сияние может создавать так называемые гравитационные волны, которые затем распространяются вниз, в атмосферу».
Гравитационные волны (не путать с гравитационными волнами, возникающими при столкновении чёрных дыр и других драматических событиях) — это вихри, которые возникают в атмосфере. Они переносят энергию по всему земному шару, тем самым влияя на климатические условия. Однако до сих пор специалисты по моделированию климата не могли понять, как гравитационные волны, возникающие на больших высотах, влияют на климат.
«Наш набор данных предоставляет начальные условия с очень высоким разрешением для модели общей циркуляции атмосферы, — сказал Сато. — Таким образом, это позволяет нам моделировать гравитационные волны во всей атмосфере, от поверхности до края космоса».