Twee jaar nadat een team van CIRES en CU Boulder een voorheen onbekende klasse van golven ontdekte die continu door de bovenste Antarctische atmosfeer kabbelden, ze hebben verleidelijke aanwijzingen gevonden voor de oorsprong van de golven. Het werk van het interdisciplinaire wetenschappelijke team om de vorming van "aanhoudende zwaartekrachtgolven" te begrijpen, belooft onderzoekers te helpen de verbindingen tussen de lagen van de atmosfeer van de aarde beter te begrijpen - en een vollediger begrip te krijgen van de luchtcirculatie over de hele wereld.

"Uit de onderzoeken komt een groot beeld naar voren van Antarctische zwaartekrachtgolven van het oppervlak tot aan de thermosfeer, die kunnen helpen bij het ontwikkelen van mondiale atmosferische modellen, " zei CIRES Fellow en CU Boulder Professor of Aerospace Engineering Sciences Xinzhao Chu, hoofdauteur van de nieuwe studie die vandaag is gepubliceerd in de Journal of Geophysical Research - Atmosferen .

"Het nieuwe begrip is het resultaat van een reeks tijdschriftpublicaties, gebaseerd op meerdere jaren lidar-waarnemingen, veel gemaakt door overwinterende studenten, van Arrival Heights bij McMurdo Station op Antarctica."

In de krant van 2016 Chu en haar collega's ontdekten aanhoudende zwaartekrachtgolven:enorme rimpelingen die in perioden van 3 tot 10 uur door de bovenste atmosfeer razen. En nu, door observaties te combineren, theorie, en modellen, ze stellen twee mogelijke oorsprongen van die golven voor:ze zijn ofwel van golven op een lager niveau die breken en nieuwe golven hoger in de lucht opnieuw opwekken, en/of van polaire vortexwinden.

Sinds 2016, het team slaagde erin de oorsprong van de hogere atmosferische golven te volgen tot in de stratosfeer op lagere hoogte. Het team karakteriseerde vervolgens de dominante zwaartekrachtgolven daar, maar ontdekten dat ze heel andere eigenschappen hadden dan de aanhoudende golven in de bovenste atmosfeer.

"De golven in de bovenste atmosfeer zijn enorm, met een horizontale lengte van ongeveer 1, 200 mijl (2, 000km), en de lagere, stratosferische golven zijn veel kleiner - slechts 400 km, " zei Jian Zhao, een doctoraat kandidaat in CU Aerospace, werken in de groep van Chu, die de winter van 2015 in McMurdo verbleef voor lidar-observaties.

Zhao en collega's beschreven eerder de stratosferische golven in een eerdere studie, en hij is de tweede auteur van de nieuwe studie die beschrijft hoe de golfenergie varieert over seizoenen en jaren - het documenteren van dat soort variaties is van cruciaal belang voor onderzoekers die proberen te begrijpen hoe de golven zaken als de wereldwijde luchtcirculatie en klimaatverandering beïnvloeden.

Het team vermoedt dat wanneer deze lager, kleinschalige stratosferische zwaartekrachtgolven breken, ze veroorzaken de vorming van enorme golven die vervolgens naar de bovenste atmosfeer reizen via een proces dat 'secundaire golfgeneratie' wordt genoemd.

Bewijs uit lidar-gegevens op het McMurdo-station dat op dit proces wijst, werd beschreven in een artikel dat dit jaar werd gepubliceerd, onder leiding van Sharon Vadas, een onderzoeker van Northwest Research Associates, en collega's.

"Het is vergelijkbaar met oceaangolven die breken op een strand, "zei Vadas. "Als de wind vanuit de bergen bij McMurdo naar beneden stroomt, de opgewonden berggolven reizen omhoog in de atmosfeer, groter en groter worden totdat ze over enorme schalen breken, het creëren van deze secundaire zwaartekrachtgolven."

Het begrijpen van de oorsprong van de golven was gebaseerd op Vadas' theorie van secundaire zwaartekrachtsgolven en een globale, model met hoge resolutie gemaakt door Erich Becker aan het Leibniz Institute of Physics in Duitsland. Het model van Becker sluit perfect de theorie en lidar-observaties aan. Het suggereert dat secundaire golfvorming bijzonder persistent is tijdens de winter, en dat het niet alleen op McMurdo Station voorkomt, maar op middelhoge tot hoge breedtegraden op beide halfronden.

Een andere mogelijke bron van de aanhoudende golven is de polaire vortex - een aanhoudend patroon van wind en weer dat in de winter rond de Zuidpool draait, Chu en haar collega's berichtten in de laatste krant.

"De snelle vortexwinden kunnen de golven veranderen terwijl ze omhoog bewegen, of de winden zouden zelf golven kunnen opwekken, " zei Lynn Harvey, een co-auteur van de studie, en onderzoeker bij het Laboratorium voor Atmosferische en Ruimtefysica (LASP) aan de CU Boulder. "Met meer observaties, we moeten kunnen bepalen welk scenario waar is."

Chu en haar onderzoekscollega's zitten soms aan bureaus met computermodellen en berekeningen, en soms zijn ze van top tot teen gebundeld, wandelen door sterke wind en ijskoude temperaturen ver onder nul graden F in Antarctica om daar geavanceerde lidar-systemen te gebruiken.

Het door de National Science Foundation beheerde U.S. Antarctic Program en het Antarctica New Zealand-programma ondersteunen het werk van het team op Antarctica gedurende acht jaar. beginnend met de installatie van Chu's op maat gemaakte lidar-systemen, waarmee haar team de moeilijkst waarneembare gebieden van de atmosfeer kan onderzoeken. Het bestuderen van atmosferische golven nabij de Zuidpool is van cruciaal belang voor het verbeteren van klimaat- en weermodellen, en het vormen van een beter beeld van het mondiale atmosferische gedrag.

"We hebben nog veel onbeantwoorde vragen, zei Chu. Maar over ongeveer vijf jaar, met behulp van een combinatie van waarnemingen en modellering met hoge resolutie, we hopen deze mysteries op te lossen."

Twee van haar studenten - recent afgestudeerde Ian P. Geraghty en Ph.D. student Zimu Li—zal in oktober naar Antarctica reizen om het onderzoek voort te zetten.