Японские учёные совершили прорыв в изучении атмосферы Земли, создав первый долгосрочный набор данных, охватывающий всю атмосферу планеты вплоть до космоса. Этот уникальный проект призван пролить свет на малоизученные процессы, происходящие в газовой оболочке нашей планеты, включая северное сияние.
До сих пор некоторые аспекты атмосферы Земли изучались непрерывно и с невероятной детализацией. Миллионы метеостанций по всему миру, сотни метеорологических зондов и самолётов ежедневно предоставляют измерения всей тропосферы – нижнего слоя атмосферы. Зонды также достигают нижней части стратосферы, слоя над тропосферой. Объём данных, генерируемых этими измерениями, настолько велик, что делает современные вычислительные модели погоды практически безошибочными.
Однако, если посмотреть немного выше, картина кардинально меняется. Мезосфера, слой разреженного воздуха над стратосферой, простирающийся почти до границы с космосом, остаётся практически неизученной. О процессах в мезосфере известно так мало, что этот регион иногда называют «игносферой» (от англ. ignorance – незнание). Этот пробел в знаниях является результатом недоступности игносферы – она слишком высока для стратосферных шаров и, как правило, слишком низка для исследования приборами на спутниках на низкой околоземной орбите.
Команда исследователей из Токийского университета попыталась решить эту проблему с помощью компьютерного моделирования. Они взяли редкие доступные измерения метеорологических параметров в игносфере, полученные с помощью зондирующих ракет и наземных радаров и лидаров, и ввели их в новую систему ассимиляции данных, которую они разработали ранее. Ассимиляция данных – это метод, сочетающий моделирование с прямыми наблюдениями для прогнозирования эволюции системы. Затем система была запрограммирована на реконструкцию возможных процессов в мезосфере для заполнения пробелов.
Учёные использовали модель для создания 19-летнего массива данных, охватывающего эволюцию всей атмосферы до высоты 110 километров. Затем они использовали дополнительные измерения мезосферных ветров, полученные с помощью наземных радаров, для проверки некоторых параметров модели, чтобы убедиться в достоверности её результатов.
Набор данных охватывает период с сентября 2004 года по декабрь 2023 года и позволит изучать и моделировать некоторые явления, происходящие на больших высотах, включая северное сияние.
Игносфера – это атмосферный регион, где происходят многие эффекты, связанные с космической погодой. Когда всплески заряженных частиц от Солнца достигают нашей планеты, они смешиваются с разреженными газами высоко над Землёй, возбуждая молекулы воздуха. При этом молекулы излучают свечение, которое наблюдается на Земле как полярные сияния. Но существуют и другие, менее заметные эффекты, которые космическая погода оказывает на атмосферу. Например, высокоэнергетические солнечные частицы могут изменять химию озона и нарушать озоновый слой. Известно также, что явление полярного сияния может создавать волны, которые затем распространяются вниз в атмосферу.
Эти волны – это вихри, возникающие во всей атмосфере. Они переносят энергию по всему земному шару, тем самым влияя на климатические модели. Однако до сих пор климатологи не могли понять и подробно изучить их эффекты.