Due anni dopo che un team di CIRES e CU Boulder ha scoperto una classe di onde precedentemente sconosciuta che si increspava continuamente attraverso l'atmosfera antartica superiore, hanno scoperto indizi allettanti sulle origini delle onde. Il lavoro del team scientifico interdisciplinare per comprendere la formazione di "onde gravitazionali persistenti" promette di aiutare i ricercatori a comprendere meglio le connessioni tra gli strati dell'atmosfera terrestre, contribuendo a formare una comprensione più completa della circolazione dell'aria in tutto il mondo.

"Dagli studi sta emergendo un quadro generale delle onde gravitazionali antartiche dalla superficie fino alla termosfera, che possono aiutare a far progredire i modelli atmosferici globali, ", ha affermato Xinzhao Chu, borsista del CIRES e professore di ingegneria aerospaziale presso la CU Boulder, autore principale del nuovo studio pubblicato oggi su Journal of Geophysical Research—Atmospheres .

"La nuova comprensione risulta da una serie di pubblicazioni su riviste, sulla base di più anni di osservazioni lidar, molti realizzati da studenti invernali, da Arrival Heights vicino alla stazione McMurdo in Antartide."

Nel documento del 2016, Chu e i suoi colleghi hanno scoperto onde gravitazionali persistenti:enormi increspature che attraversano l'alta atmosfera in periodi di 3-10 ore. E adesso, combinando osservazioni, teoria, e modelli, propongono due possibili origini di quelle onde:sono o da onde di livello inferiore che si infrangono e rieccitano nuove onde più alte nel cielo, e/o dai venti di vortice polare.

Dal 2016, il team è riuscito a tracciare l'origine delle onde atmosferiche superiori fino alla stratosfera a bassa quota. Il team ha quindi caratterizzato le onde gravitazionali dominanti lì, ma scoprirono che avevano proprietà molto diverse dalle onde persistenti nell'atmosfera superiore.

"Le onde dell'alta atmosfera sono enormi, con una lunghezza orizzontale di circa 1, 200 miglia (2, 000 chilometri), e il basso, le onde stratosferiche sono molto più piccole, solo 250 miglia (400 km), " disse Jian Zhao, un dottorato di ricerca candidato in CU Aerospace, lavorando nel gruppo di Chu, che ha soggiornato l'inverno 2015 a McMurdo per osservazioni lidar.

Zhao e colleghi hanno precedentemente descritto le onde stratosferiche in uno studio precedente, ed è il secondo autore del nuovo studio che descrive come l'energia delle onde varia nel corso delle stagioni e degli anni:documentare questo tipo di variazioni è fondamentale per i ricercatori che cercano di capire come le onde influenzano cose come la circolazione dell'aria globale e il cambiamento climatico.

Il team sospetta che quando questi si abbassano, onde di gravità stratosferiche su piccola scala si infrangono, innescano la formazione delle onde enormi che poi viaggiano nell'atmosfera superiore attraverso un processo chiamato "generazione di onde secondarie".

Le prove dai dati lidar alla stazione McMurdo che indicano questo processo sono state descritte in un documento pubblicato quest'anno, guidato da Sharon Vadas, un ricercatore della Northwest Research Associates, e colleghi.

"È simile alle onde dell'oceano che si infrangono su una spiaggia, — disse Vadas. — Quando il vento scende dalle montagne vicino a McMurdo, le onde eccitate della montagna viaggiano verso l'alto nell'atmosfera, crescendo sempre più grandi fino a rompersi su enormi scaglie, creando queste onde gravitazionali secondarie."

La comprensione delle origini delle onde si basava sulla teoria di Vadas delle onde gravitazionali secondarie e di un'onda globale, modello ad alta risoluzione creato da Erich Becker presso il Leibniz Institute of Physics in Germania. Il modello di Becker unisce perfettamente la teoria e le osservazioni lidar. Suggerisce che la formazione di onde secondarie è particolarmente persistente durante l'inverno, e che si verifica non solo alla stazione McMurdo, ma a latitudini medio-alte in entrambi gli emisferi.

Un'altra possibile fonte delle onde persistenti è il vortice polare, un modello persistente di vento e tempo che ruota attorno al Polo Sud durante l'inverno, Chu e i suoi colleghi hanno riportato nell'ultimo documento.

"I venti veloci del vortice potrebbero modificare le onde mentre si muovono verso l'alto, o i venti potrebbero effettivamente generare onde stesse, " ha detto Lynn Harvey, coautore dello studio, e ricercatore presso il Laboratorio di Fisica dell'Atmosfera e dello Spazio (LASP) presso CU Boulder. "Con ulteriori osservazioni, dovremmo essere in grado di determinare quale scenario è vero".

Chu e i suoi colleghi ricercatori a volte si trovano seduti alle scrivanie mentre eseguono modelli e calcoli al computer, e a volte sono impacchettati dalla testa ai piedi, camminare attraverso forti venti e temperature gelide ben al di sotto dello zero gradi F in Antartide per eseguire sistemi lidar all'avanguardia installati lì.

Il Programma Antartico degli Stati Uniti gestito dalla National Science Foundation e il programma Antarctica New Zealand hanno supportato il lavoro del team in Antartide per otto anni, a partire dall'installazione dei sistemi lidar personalizzati di Chu, che consente alla sua squadra di sondare le regioni più difficili da osservare dell'atmosfera. Lo studio delle onde atmosferiche vicino al Polo Sud è fondamentale per migliorare i modelli climatici e meteorologici, e formando un quadro migliore del comportamento atmosferico globale.

"Abbiamo ancora molte domande senza risposta, " disse Chu. "Ma in circa cinque anni, utilizzando una combinazione di osservazioni e modelli ad alta risoluzione, speriamo di risolvere questi misteri".

Due dei suoi studenti, il neolaureato Ian P. Geraghty e il Ph.D. lo studente Zimu Li si recherà in Antartide questo ottobre per continuare la ricerca.