Zespoły z amerykańskich uniwersytetów udowodniły podczas zaćmienia słońca w 2023 r., że takie zdarzenia mogą wywołać atmosferyczne fale grawitacyjne, o czym świadczą dane ze startów balonów sponsorowanych przez NASA. To przełomowe osiągnięcie oferuje nowe spostrzeżenia, które mogą ulepszyć prognozowanie pogody i nasze zrozumienie dynamiki atmosfery.
Zespoły studenckie z trzech amerykańskich uniwersytetów jako pierwsze zmierzyły to, co naukowcy przewidywali od dawna: zaćmienia mogą generować zmarszczki w atmosferze ziemskiej zwane atmosferycznymi falami grawitacyjnymi. Charakterystyczna sygnatura fal pojawiła się w danych zarejestrowanych podczas obrączkowego zaćmienia słońca w Ameryce Północnej 14 października 2023 r. w ramach projektu Nationwide Eclipse Ballooning Project (NEBP) sponsorowanego przez firmę NASA.
Za pośrednictwem NEBP zespoły uczniów szkół średnich i uniwersytetów stacjonowały wzdłuż ścieżki zaćmienia w wielu stanach USA, gdzie wypuściły balony pogodowe z pakietami instrumentów przeznaczonych do prowadzenia badań inżynieryjnych lub eksperymentów naukowych o atmosferze. Grupa zespołów naukowych zlokalizowana w Nowym Meksyku zebrała dane ostatecznie łączące zaćmienie z powstawaniem atmosferycznych fal grawitacyjnych, co może pomóc w ulepszeniu prognozowania pogody.
„Modele klimatyczne są skomplikowane i przyjmują pewne założenia dotyczące czynników atmosferycznych, które należy wziąć pod uwagę”.
Angela Des Jardins, dyrektor konsorcjum Montana Space Grant Consortium, które kierowało NEBP.
„Zrozumienie, jak atmosfera reaguje w szczególnym przypadku zaćmień, pomaga nam lepiej zrozumieć atmosferę, co z kolei pomaga nam w tworzeniu dokładniejszych przewidywań pogody, a ostatecznie w lepszym zrozumieniu zmian klimatycznych”.
Fale grawitacyjne a fale grawitacyjne
Fale grawitacyjne i fale grawitacyjnechoć brzmią podobnie, odnoszą się do zupełnie innych koncepcji. Fale grawitacyjne występują w warunkach atmosferycznych i oceanicznych i są spowodowane wysiłkiem stabilizacyjnym grawitacji, gdy element płynu zostaje wytrącony ze swojej równowagi. Objawiają się one jako wahania gęstości i ciśnienia zaangażowanych mediów. Fale grawitacyjne to jednak zjawiska kosmiczne, które wiążą się z zniekształceniem czasoprzestrzeni spowodowanym masowymi wydarzeniami astronomicznymi, takimi jak zderzenia czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Fale te poruszają się z prędkością światła i zostały po raz pierwszy zaobserwowane przez naukowców w 2015 roku, co potwierdza główne przewidywania ogólnej teorii względności Einsteina.
Łapanie fal w Nowym Meksyku
Poprzednie zespoły latające balonem również polowały na atmosferyczne fale grawitacyjne podczas wcześniejszych zaćmień, a badania te były wspierane przez NASA i National Science Foundation. W 2019 r. zespół NEBP stacjonujący w Chile zebrał obiecujące dane, ale cogodzinne wypuszczanie balonów nie dostarczyło wystarczających szczegółów. Próby powtórzenia eksperymentu w 2020 roku zostały udaremnione COVID 19 ograniczenia w podróżowaniu w Argentynie i ulewna ulewa, która utrudniła gromadzenie danych w Chile.
Liderzy projektu uwzględnili te wnioski podczas planowania roku 2023, planując wypuszczanie balonów co 15 minut i dokładnie rozważając lokalizacje o największym potencjale powodzenia.
„Nowy Meksyk wyglądał szczególnie obiecująco” – powiedziała Jie Gong, badacz z Laboratorium Klimatu i Promieniowania NASA w należącym do tej agencji Centrum Lotów Kosmicznych Goddard w Greenbelt w stanie Maryland i współautor badań nad atmosferycznymi falami grawitacyjnymi. „Większość atmosferycznych źródeł grawitacji to konwekcja, systemy pogodowe i góry. Chcieliśmy wyeliminować wszystkie możliwe źródła.”
W ramach projektu utworzono „superobiekt” w Nowym Meksyku w mieście Moriarty, w którym skupiono cztery zespoły zajmujące się badaniami atmosferycznymi: dwa z Plymouth State University w Plymouth w stanie New Hampshire oraz po jednym z State University of New York (SUNY) Albany i SUNY Oswego .
Uczniowie zaczęli wypuszczać balony o godzinie 10:00 dzień przed zaćmieniem.
„Pracowali na zmiany w dzień i w nocy, a potem wszyscy byli na miejscu podczas zaćmienia” – powiedział Eric Kelsey, profesor nadzwyczajny w Plymouth State i kierownik północno-wschodniego regionu NEBP.
„Nasza ciężka praca naprawdę się opłaciła. Uczniowie mieli prawdziwe poczucie spełnienia.”
Eric Kelsey, profesor nadzwyczajny ds. badań w stanie Plymouth i kierownik regionu północno-wschodniego NEBP.
Każdy balon wypuszczony przez zespoły naukowe zawierał radiosondę – zestaw instrumentów mierzących temperaturę, położenie, wilgotność, kierunek i prędkość wiatru podczas każdej sekundy wznoszenia się przez atmosferę. Radiosondy przekazały ten strumień surowych danych zespołowi naziemnemu. Studenci przesłali dane na wspólny serwer, gdzie Gong i dwóch absolwentów spędzili miesiące na ich przetwarzaniu i analizowaniu.
Potwierdzenie, że zaćmienie wygenerowało atmosferyczne fale grawitacyjne na niebie nad Nowym Meksykiem, nastąpiło wiosną 2024 r.
„Zebraliśmy wszystkie dane według czasu, a kiedy nakreśliliśmy ten szereg czasowy, mogłem już zobaczyć paski w sygnale” – powiedział Gong. „Bombardowałem e-maile wszystkich. Byliśmy bardzo podekscytowani.”
Dla studentów krzywe uczenia się stwarzają możliwości
Program zapewnił wielu studentom pierwsze doświadczenia w gromadzeniu danych. Korzyści wykraczają jednak poza umiejętności techniczne i naukowe.
„Uczniowie wiele się nauczyli, ćwicząc wystrzeliwanie balonów pogodowych” – powiedział Kelsey. „To była ogromna lekcja nauki. Musieli współpracować, aby opracować całą logistykę i rozwiązać problemy. To dobra praktyka umiejętności pracy zespołowej.”
„Wszystko to jest technicznie skomplikowane” – powiedział Des Jardins. „Chociaż obecnie skupiamy się na wynikach naukowych, najważniejsze jest to, że to studenci sprawili, że tak się stało”.
Program Aktywizacji Naukowej Dyrekcji Misji Naukowych NASA finansuje projekt NEBP, a także wkład z National Space Grant College and Fellowship Project oraz wsparcie Biura Programu Balonów NASA.
