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.

Фото: Space.com / Josh Dinner
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.