В статье, опубликованной в журнале Geophysical Research Letters, исследователи обнаружили, что турбулентность в термосфере подчиняется тем же физическим законам, что и ветер в нижних слоях атмосферы. Кроме того, ветер в термосфере преимущественно вращается в циклоническом направлении: против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном полушарии.
Полученные результаты раскрывают новый единый принцип для различных экологических систем Земли и потенциально могут улучшить будущее прогнозирование как земной, так и космической погоды.
Время от времени мы настраиваемся, чтобы увидеть последние прогнозы погоды, и, хотя они дают нам хорошее представление о наших ежедневных атмосферных условиях, исследования, направленные на изучение того, как движется воздух на Земле, являются головокружительно сложными.
«На фундаментальном уровне мы изучаем взаимодействие кинетической энергии в атмосфере разных размеров и масштабов, эта энергия в основном представлена в виде ветра и турбулентности. За десятилетия огромный объем данных дал нам представление о том, как эта энергия течет и рассеивается, влияя на погоду в тропосфере, самом нижнем слое атмосферы», — объясняет профессор Хуйсинь Лю с факультета естественных наук Университета Кюсю, который руководил исследованием. «Мои исследования сосредоточены на движениях в верхних слоях атмосферы, особенно в термосфере, где мы изучаем соответствующие законы, управляющие динамикой и потоками энергии в регионе».
Термосфера — это часть атмосферы на высоте примерно 80–550 км над уровнем моря, которую часто называют воротами в космос. Это критически важный регион для космических операций, и именно здесь находится Международная космическая станция, а также большинство спутников. Здесь же образуются полярные сияния.
Лю сотрудничал с исследователем-метеорологом доктором Факундо Л. Поблетом из Института физики атмосферы Лейбница Университета Ростока, чья работа сосредоточена на динамике и турбулентности в нижних слоях атмосферы на высоте ниже 100 км.
«Мои исследования связаны с космической физикой, и я хотел посмотреть, сможем ли мы применить его метеорологические методы в моей области исследований», — объясняет Лю.
Команда проанализировала данные о ветре в термосфере с двух спутников: Challenge Minisatellite Payload (CHAMP) и Gravity Field and Steady State Ocean Circulation Explorer (GOCE). Используя эти данные, команда рассчитала структурную функцию ветра третьего порядка — статистическую величину, которая предоставляет информацию о базовой турбулентности. К своему удивлению, они обнаружили, что термосфера демонстрирует тот же закон масштабирования, что и нижние слои атмосферы.
«Это означает, что и термосфера, и тропосфера, несмотря на совершенно разные составы и динамику атмосферы, подчиняются одним и тем же физическим законам. То, как турбулентность движется, формируется и рассеивается в этих двух регионах, очень похоже», — продолжает Лю.
Несмотря на выдающиеся успехи в понимании термосферы, сложное взаимодействие турбулентности остается в значительной степени неуловимым, и команда рада, что их результаты проливают новый свет на этот малоизученный аспект динамики ближнего космоса.
«Подобно прогнозированию атмосферной погоды, понимание распределения энергии в термосфере жизненно важно для улучшения нашего понимания космической динамики», — заключает Лю. «Мы надеемся, что эти результаты могут быть использованы для улучшения прогнозирования космической погоды и обеспечения постоянной функциональности и безопасности спутниковых технологий, необходимых для повседневной жизни».
