Ураган Гелен вплинув на атмосферу на висоті 88 кілометрів

Наприкінці вересня 2024 року ураган Гелен досяг узбережжя Мексиканської затоки у Флориді, принісши штормові хвилі та масштабні руйнування. Водночас на висоті 88 кілометрів над поверхнею датчики на борту Міжнародної космічної станції зареєстрували чіткий візерунок у верхніх шарах земної атмосфери. Це виявлення привернуло увагу до нової галузі досліджень космічної погоди, розкривши прямий зв'язок між великими погодними системами та динамічними атмосферними умовами далеко над рівнем землі.

Експеримент з атмосферних хвиль NASA, встановлений на МКС у листопаді 2023 року, зафіксував зображення гравітаційних хвиль — хвилеподібних збурень у мезосфері, які поширилися на сотні кілометрів від зони впливу урагану. Ці хвильові візерунки були зареєстровані в атмосферному світінні, слабкому випромінюванні світла, що виробляється атмосферними газами.

Ця подія надала чіткі візуальні докази того, що шторм на Землі може впливати на верхню атмосферу у вимірюваний спосіб. Це також підтвердило, що інструмент може надійно спостерігати такі взаємодії в глобальному масштабі. Для інженерів та атмосферних науковців відкриття допомагає пояснити, як погода біля поверхні впливає на умови там, де працюють супутники.

Під час виходу Гелен на сушу 26 вересня 2024 року експеримент виявив концентричні смуги в мезосфері приблизно на висоті 88 кілометрів над поверхнею. Ці гравітаційні хвилі утворили кругові візерунки, подібні до брижів на воді, що розширювалися назовні від центральної області урагану.

Головний дослідник експерименту Людгер Шерліс, фізик з Університету штату Юта, підтвердив джерело хвиль. «Як кільця води, що розходяться від краплі в ставку, кругові хвилі від Гелен видно такими, що розходяться на захід від північно-західного узбережжя Флориди», — сказав Шерліс у звіті Центру космічних польотів імені Годдарда NASA.

Гравітаційні хвилі в атмосфері викликаються збуреннями, такими як урагани, грози, виверження вулканів або гірські вітри. Вони впливають на температуру, тиск та щільність повітря, особливо в мезосфері, де їх раніше не вимірювали на постійній основі.

Спостерігаючи за цими хвилями через коливання атмосферного світіння, інструмент дозволяє дослідникам визначити, як погодні явища на поверхні можуть впливати на структуру верхньої атмосфери. Огляд місії NASA описує цей атмосферний шар як погано вивчений через його висоту, яка є занадто великою для метеорологічних зондів і занадто малою для традиційних супутникових інструментів.

Інструмент є частиною програми дослідників геліофізики NASA і працює у координації з Лабораторією космічної динаміки в Університеті штату Юта. Він призначений для вивчення того, як земна погода сприяє космічній погоді, особливо в регіонах атмосфери, де попередні дані були обмеженими.

Однією з ключових можливостей є здатність відстежувати атмосферне світіння, яке стає видимим у певних довжинах хвиль, коли високогірні гази випромінюють світло через сонячну енергію. Ці випромінювання тонко змінюються, коли гравітаційні хвилі проходять через мезосферу, що дозволяє їх виявлення та аналіз.

Інший інструмент у місії, розширений картограф мезосферних температур, відіграє допоміжну роль, вимірюючи інфрачервоні варіації, пов'язані з хвильовою активністю. Він достатньо чутливий для роботи при температурах мезосфери, які можуть опускатися нижче мінус 100 градусів Цельсія, і додає глибини вимірюванням, зібраним під час штормів, таких як Гелен.

Майк Тейлор, колишній головний дослідник місії, описав її запуск у листопаді 2023 року як кульмінацію десятиліть роботи в науці про верхню атмосферу. «З МКС наша картографічна камера буде знімати зображення з космосу в глобальному масштабі», — сказав він в інтерв'ю, опублікованому виданням Utah State Today.

Мезосфера, незважаючи на те що є регіоном з низькою щільністю, відіграє важливу роль у безпеці та продуктивності супутників. Гравітаційні хвилі можуть змінювати щільність повітря, що впливає на опір супутників. Навіть незначні зміни в опорі можуть вплинути на орбітальну траєкторію космічного апарата, призводячи до коригувань у позиціонуванні або скорочення терміну служби.

Виявлення гравітаційних хвиль, пов'язаних з Гелен, надає практичні дані для аерокосмічних інженерів та операторів супутників. Знання про те, коли і де відбуваються збурення верхньої атмосфери, полегшує підготовку до тонких змін навколишнього середовища, які впливають на комунікаційні сигнали, навігаційні системи та орбітальну механіку.

Такі ефекти рідко видимі для наземних спостерігачів, але є критичними для космічних апаратів, що працюють на низькій навколоземній орбіті. Здатність безперервно контролювати їх з космосу підвищує стійкість космічної інфраструктури та покращує моделі атмосферної динаміки.

Результати експерименту також можуть сприяти ширшим дослідженням космічної погоди, зокрема того, як збурення в земній атмосфері поширюються вгору та взаємодіють із зарядженими частинками в іоносфері та магнітосфері. Ці взаємодії можуть впливати на радіохвилі, супутниковий зв'язок та точність GPS.