Reuzenballonnen die in de stratosfeer zijn gelanceerd om internetdiensten naar de aarde te sturen, hebben wetenschappers geholpen om kleine rimpelingen in onze bovenste atmosfeer te meten, patronen blootleggen die de weersvoorspellingen en klimaatmodellen kunnen verbeteren.

de rimpelingen, bekend als zwaartekrachtgolven of drijfgolven, ontstaan ​​wanneer klodders lucht naar boven worden geduwd en vervolgens door de zwaartekracht naar beneden worden getrokken. Stel je een luchtpakket voor dat over bergen raast, duikt naar koele valleien, pendelt over land en zee en weerkaatst op groeiende stormen, op en neer dobberen tussen lagen stabiele atmosfeer in een groot touwtrekken tussen drijfvermogen en zwaartekracht. Een enkele golf kan duizenden kilometers afleggen, onderweg vaart en warmte meevoeren.

Hoewel minder bekend dan zwaartekrachtsgolven - golvingen in het weefsel van ruimte-tijd - zijn atmosferische zwaartekrachtgolven alomtegenwoordig en krachtig, zei atmosferische wetenschapper Aditi Sheshadri van Stanford University, senior auteur van een nieuwe studie die de veranderingen in hoogfrequente zwaartekrachtgolven over seizoenen en breedtegraden beschrijft. Ze veroorzaken een deel van de turbulentie die wordt gevoeld in vliegtuigen die in een heldere lucht vliegen en hebben een sterke invloed op hoe stormen zich op grondniveau afspelen.

Hoogvliegende ballonnen

Gepubliceerd op 30 augustus in de Journal of Geophysical Research:Atmosferen , het nieuwe onderzoek is gebaseerd op gegevens over superdrukballonnen van het bedrijf Loon LLC, die de ballonnen ontwierp om internettoegang te bieden tot gebieden die niet worden bediend door zendmasten of glasvezelkabels. In 2018 ontstaan ​​uit het Google-moederbedrijf Alphabet, Loon heeft duizenden met sensoren beladen ballonnen op 12 mijl hoogte in de stratosfeer gestuurd - ruim boven de hoogte van commerciële vliegtuigen en de meeste wolken - gedurende 100 dagen of meer aan een stuk.

"Dit was gewoon een heel gelukkig iets, want ze verzamelden geen gegevens voor een wetenschappelijke missie. Maar, overigens, ze waren toevallig de positie en temperatuur en druk aan het meten, " zei Sheshadri, die een assistent-professor aardsysteemwetenschap is aan Stanford's School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth).

De onderzoekers berekenden zwaartekrachtgolfbewegingen uit gegevens die ballonnen verzamelden over 6, 811 afzonderlijke perioden van 48 uur van 2014 tot 2018. "Het opzetten van een gelijkwaardige wetenschappelijke campagne zou verschrikkelijk duur zijn. Met de Loon-gegevens, de analyse is rommeliger omdat de gegevensverzameling incidenteel was, maar het heeft een bijna wereldwijde dekking, ' zei Sheshadri.

kleine golven, planetaire impact

Zwaartekrachtgolven zijn een belangrijk onderdeel van de atmosferische dynamiek. "Ze helpen de algehele circulatie van de atmosfeer te stimuleren, maar sommige zwaartekrachtgolven zijn te klein en te frequent om met satellieten te worden waargenomen, " zei de hoofdauteur van de studie, Erik Lindgren, die aan het onderzoek werkte als postdoctoraal wetenschapper in het lab van Sheshadri. "Dit zijn de zwaartekrachtgolven waarop we ons in deze studie hebben gericht." Eerdere studies waarbij atmosferische ballonnen werden gebruikt om hoogfrequente zwaartekrachtgolven te volgen, bevatten doorgaans gegevens van niet meer dan enkele tientallen ballonvluchten, die kleinere gebieden en minder seizoenen bestrijken.

De Loon-gegevens bleken bijzonder waardevol voor het berekenen van hoogfrequente zwaartekrachtgolven, die honderden keren per dag kan stijgen en dalen, over afstanden variërend van enkele honderden meters tot honderden mijlen. "Ze zijn klein en veranderen op tijdschalen van minuten. Maar in een geïntegreerde zin, ze beïnvloeden, bijvoorbeeld, het momentumbudget van de jetstream, dat is dit enorme ding op planetaire schaal dat in wisselwerking staat met stormen en een belangrijke rol speelt bij het bepalen van hun koers, ' zei Sheshadri.

Zwaartekrachtgolven beïnvloeden ook de polaire vortex, een werveling van ijskoude lucht die meestal boven de Noordpool zweeft en maandenlang extreme kou in delen van Europa en de Verenigde Staten kan blazen. En ze interageren met de quasi-tweejaarlijkse oscillatie, waarin, ongeveer elke 14 maanden, de gordel van winden die hoog over de evenaar waait, verandert van richting - met grote gevolgen voor de aantasting van de ozonlaag en het oppervlakteweer tot ver buiten de tropen.

Als resultaat, het begrijpen van zwaartekrachtgolven is de sleutel tot het verbeteren van de weersvoorspellingen op regionale schaal, vooral omdat de opwarming van de aarde historische patronen blijft verstoren. "Zwaartekrachtgolven goed krijgen zou de circulatiereacties op klimaatverandering helpen beperken, zoals hoeveel het gaat regenen op een bepaalde locatie, het aantal stormen - dynamische dingen zoals wind en regen en sneeuw, ' zei Sheshadri.

Betere modellen bouwen

Huidige klimaatmodellen schatten de effecten van hoogfrequente zwaartekrachtgolven op de circulatie in een soort zwarte doos, met weinig beperkingen van observaties in de echte wereld of toepassing van de beperkte bestaande kennis van de fysieke processen die in het spel zijn. "Tot nu, het is niet helemaal duidelijk hoe deze golven zich in verschillende regio's of in de loop van de seizoenen gedragen bij zeer hoge frequenties of kleine schalen, ' zei Lindgren.

Sheshadri en collega's concentreerden zich op energie geassocieerd met hoogfrequente zwaartekrachtgolven op verschillende tijdschalen, en hoe die energie varieert tussen seizoenen en breedtegraden. Ze ontdekten dat deze golven groter zijn en meer kinetische energie opbouwen in de tropen en in de zomer; kleinere golven die met minder energie bewegen, komen vaker voor in de buurt van de polen en in de winter. Ze ontdekten ook dat zwaartekrachtgolven synchroon veranderen met de fasen van de quasi-tweejaarlijkse oscillatie. "We ontdekten duidelijke verschuivingen in zwaartekrachtgolfactiviteit op verschillende tijdstippen van het jaar en over verschillende delen van de wereld, "Zei Lindgren. "Wat precies de reden is, is niet duidelijk."

In toekomstig onderzoek, Sheshadri wil identificeren welke zwaartekrachtgolfbronnen verantwoordelijk zijn voor deze verschillen, en om zwaartekrachtgolfamplitudes bij zeer hoge frequenties te extrapoleren uit relatief zeldzame waarnemingen. Ze zei, "Begrijpen hoe zwaartekrachtgolven de circulatie in de atmosfeer stimuleren, de interactie tussen deze golven en de gemiddelde stroom - het is echt de volgende grens in het begrijpen van atmosferische dynamiek."