Физики изучили нестабильности в атмосфере с помощью ракеты

Исследователи распылили жидкий триметилалюминий в верхних слоях атмосферы с помощью ракет и пронаблюдали за его движением. Так ученые изучили турбулентности, которые возникают в верхних слоях мезосферы и нижних слоях термосферы на высоте порядка 100 километров. Исследование подобных эффектов может помочь физикам понять, как именно происходит перемешивание газов в атмосфере. Статья опубликована в журнале JGR: Space Physics.

Завихрения, которые исследовали ученые, появляются из-за неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Она возникает между двумя соприкасающимися средами с достаточной разностью скоростей. При таких условиях в профиле течений появляется точка перегиба, в которой вторая производная скорости по координате обращается в ноль, и согласно критерию Релея возникает неустойчивость. Это явления очень часто можно увидеть в повседневной жизни: именно неустойчивость Кельвина-Гельмгольца приводит к появлению волн на поверхности воды во время ветра. Такие же эффекты непрерывно происходят в атмосфере, причем не только на нашей планете: характерные завихрения можно увидеть и на границе Большого красного пятна на Юпитере.

Рафаэль Мескита (Rafael Mesquita) из Университета Клемсона пронаблюдал за неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца в атмосфере Земли на высоте 102 километра. Для этого он и его коллеги воспользовались данными, полученными во время запуска исследовательских ракет в 2018 году. Тогда для многопланового изучения верхних слоев атмосферы ученые запустили три ракеты: две из них с интервалом 30 минут распылили в атмосфере жидкий триметилалюминий, а сразу после этого третья ракета выбросила в воздух 220 килограмм воды. В своей работе авторы обсуждают результаты только первых двух запусков, анализ данных по выбросу воды третьей ракетой будет представлен в отдельной статье.

За движением выпущенных в атмосферу газов ученые следили сразу с двух точек: из наблюдательного пункта на земле и c самолета, который предоставило NASA. Также в распоряжении авторов работы были лидары, с помощью которых они могли следить за температурой выпущенных в атмосферу газов. Такой подход впоследствии позволил физиками точно воссоздать траекторию газов в каждый момент времени и провести численную оценку происходящих в атмосфере явлений. Одновременно ученые следили за магнитосферой Земли в районе запуска, чтобы убедиться, что возмущения атмосферы не будут вызваны магнитным штормом и связанными с ним потоками заряженных частиц. Второй запуск оказался наиболее удачным: физики увидели характерные для неустойчивости Кельвина-Гельмгольца завихрения при слабой геомагнитной активности.

В ходе анализа данных исследователям удалось восстановить профиль скоростей атмосферных ветров на высоте от 80 до 160 километров. Оказалось, что на уровне 100–105 километров находилась граница между потоками воздуха, скорость которых отличалась на 90 метров в секунду — прекрасные условия для возникновения неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Авторы работы определили, что в этой турбулентности образовались вихри с диаметром порядка 5 километров. Вместе с данными по профилю скоростей это позволило физикам вычислить число Рейнольдса и число Фруда исследуемой среды, которые оказались равны 7,2 × 10³ и 0,29 соответственно.

Авторы указывают на ощутимое отличие полученных данных от предсказаний теоретических моделей и реализованных ранее экспериментов. Такие результаты могут помочь скорректировать представления ученых о турбулентных процессах в верхних слоях атмосферы и лучше понять, как именно в них происходит перемешивание газов. На настоящий момент не понятно, к примеру, как тяжелый молекулярный азот иногда оказывается выше, чем предсказывает теория, а легкий кислород наоборот опускается в нижние слои атмосферы.

Однако турбулентности могут сильно влиять не только на атмосферу: ранее мы 

о том, как их пытаются учесть при моделировании мирового океана. О том, почему турбулентности в нижних слоях атмосферы опасны для самолетов, можно почитать в нашем материале «

».

Никита Козырев