Deux ans après qu'une équipe du CIRES et du CU Boulder ait découvert une classe de vagues jusqu'alors inconnue ondulant continuellement dans l'atmosphère supérieure de l'Antarctique, ils ont découvert des indices alléchants sur les origines des vagues. Le travail de l'équipe scientifique interdisciplinaire pour comprendre la formation des « ondes de gravité persistantes » promet d'aider les chercheurs à mieux comprendre les connexions entre les couches de l'atmosphère terrestre, aidant ainsi à mieux comprendre la circulation de l'air dans le monde.

"Une grande image des ondes de gravité antarctiques de la surface jusqu'à la thermosphère émerge des études, qui peuvent aider à faire avancer les modèles atmosphériques mondiaux, " a déclaré Xinzhao Chu, boursier du CIRES et professeur CU Boulder de sciences de l'ingénierie aérospatiale, auteur principal de la nouvelle étude publiée aujourd'hui dans le Journal of Geophysical Research—Atmosphères .

"La nouvelle compréhension résulte d'une série de publications dans des revues, sur la base de plusieurs années d'observations lidar, beaucoup fabriqués par des étudiants en hiver, depuis Arrival Heights près de la station McMurdo en Antarctique."

Dans l'article de 2016, Chu et ses collègues ont découvert des ondes de gravité persistantes :d'énormes ondulations qui balayent la haute atmosphère par périodes de 3 à 10 heures. Et maintenant, en combinant les observations, théorie, et modèles, ils proposent deux origines possibles de ces vagues :elles proviennent soit de vagues de niveau inférieur déferlant et ré-excitant de nouvelles vagues plus hautes dans le ciel, et/ou des vents de vortex polaires.

Depuis 2016, l'équipe a réussi à retracer l'origine des ondes atmosphériques supérieures jusqu'à la stratosphère de basse altitude. L'équipe a ensuite caractérisé les ondes de gravité dominantes là-bas, mais ont découvert qu'elles avaient des propriétés très différentes de celles des ondes persistantes dans la haute atmosphère.

"Les ondes de la haute atmosphère sont énormes, avec une longueur horizontale d'environ 1, 200 milles (2, 000 km), et le plus bas, les ondes stratosphériques sont beaucoup plus petites - seulement 250 miles (400 km), " a déclaré Jian Zhao, un doctorat candidat à CU Aerospace, travailler dans le groupe de Chu, qui est resté l'hiver 2015 à McMurdo pour des observations lidar.

Zhao et ses collègues ont précédemment décrit les ondes stratosphériques dans une étude antérieure, et il est le deuxième auteur de la nouvelle étude qui décrit comment l'énergie des vagues varie au fil des saisons et des années.

L'équipe soupçonne que lorsque ceux-ci baissent, des ondes de gravité stratosphériques à plus petite échelle se brisent, ils déclenchent la formation d'énormes vagues qui se déplacent ensuite vers la haute atmosphère grâce à un processus appelé "génération de vagues secondaires".

Les preuves des données lidar de la station McMurdo indiquant ce processus ont été décrites dans un article publié cette année, dirigé par Sharon Vadas, un chercheur de Northwest Research Associates, et collègues.

"C'est comme les vagues de l'océan qui se brisent sur une plage, " dit Vadas. " Quand le vent descend des montagnes près de McMurdo, les ondes de montagne excitées voyagent vers le haut dans l'atmosphère, de plus en plus gros jusqu'à ce qu'ils se brisent sur d'énormes écailles, créant ces ondes de gravité secondaires."

Comprendre les origines des ondes s'est appuyé sur la théorie de Vadas des ondes de gravité secondaires et un global, modèle haute résolution créé par Erich Becker à l'Institut de physique Leibniz en Allemagne. Le modèle de Becker assemble parfaitement la théorie et les observations lidar. Cela suggère que la formation de vagues secondaires est particulièrement persistante en hiver, et que cela se produit non seulement à la station McMurdo, mais aux latitudes moyennes à élevées dans les deux hémisphères.

Une autre source possible des vagues persistantes est le vortex polaire - un modèle persistant de vent et de temps qui tourne autour du pôle Sud pendant l'hiver, Chu et ses collègues ont rapporté dans le dernier journal.

"Les vents tourbillonnaires rapides pourraient soit modifier les vagues à mesure qu'elles se déplacent vers le haut, ou les vents pourraient en fait générer des vagues eux-mêmes, " a déclaré Lynn Harvey, un co-auteur de l'étude, et chercheur au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale (LASP) à CU Boulder. "Avec plus d'observations, nous devrions être en mesure de déterminer quel scénario est vrai."

Chu et ses collègues de recherche se retrouvent parfois assis à des bureaux exécutant des modèles informatiques et des calculs, et parfois ils sont groupés de la tête aux pieds, marcher à travers des vents forts et des températures glaciales bien en dessous de zéro degré F en Antarctique pour exécuter des systèmes lidar de pointe installés là-bas.

Le programme antarctique américain géré par la National Science Foundation et le programme Antarctica New Zealand soutiennent le travail de l'équipe en Antarctique depuis huit ans, en commençant par l'installation des systèmes lidar sur mesure de Chu, qui permet à son équipe de sonder les régions les plus difficiles à observer de l'atmosphère. L'étude des ondes atmosphériques près du pôle Sud est essentielle pour améliorer les modèles climatiques et météorologiques, et former une meilleure image du comportement atmosphérique global.

"Nous avons encore beaucoup de questions sans réponse, " dit Chu. " Mais dans environ cinq ans, en utilisant une combinaison d'observations et de modélisation à haute résolution, nous espérons résoudre ces mystères."

Deux de ses étudiants, Ian P. Geraghty et Ph.D. l'étudiant Zimu Li—se rendra en Antarctique en octobre pour poursuivre les recherches.