In einem Artikel veröffentlicht in Geophysikalische Forschungsbriefehaben Forscher entdeckt, dass die Turbulenz in der Thermosphäre denselben physikalischen Gesetzen unterliegt wie der Wind in der unteren Atmosphäre. Darüber hinaus rotiert der Wind in der Thermosphäre überwiegend in zyklonischer Richtung, d. h. er rotiert auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn und auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn.
Die Erkenntnisse offenbaren ein neues einheitliches Prinzip für die vielfältigen Umweltsysteme der Erde und können möglicherweise zukünftige Vorhersagen sowohl des Erd- als auch des Weltraumwetters verbessern.
Hin und wieder haben wir eingeschaltet, um uns die neuesten Wettervorhersagen anzusehen. Diese vermitteln uns zwar einen guten Eindruck von den atmosphärischen Bedingungen unseres Alltags, doch die Forschung zur Erforschung der Luftbewegungen auf der Erde ist schwindelerregend komplex.
„Grundsätzlich untersuchen wir das Zusammenspiel der kinetischen Energie in der Atmosphäre in verschiedenen Größen und Maßstäben. Diese Energie liegt hauptsächlich in Form von Wind und Turbulenzen vor. Im Laufe der Jahrzehnte haben uns riesige Datenmengen Einblicke darin gegeben, wie diese Energie fließt und sich auflöst und das Wetter in der Troposphäre, der untersten Schicht der Atmosphäre, beeinflusst“, erklärt Professor Huixin Liu von der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Kyushu, der die Studie leitete.
„Meine Forschung konzentriert sich auf die Bewegungen in der oberen Atmosphäre, speziell der Thermosphäre. Dort erforschen wir die entsprechenden Gesetze, die die Dynamik und den Energiefluss in dieser Region bestimmen.“
Die Thermosphäre ist ein Teil der Atmosphäre, der sich etwa 80–550 km über dem Meeresspiegel befindet und oft als Tor zum Weltraum bezeichnet wird. Sie ist eine kritische Region für den Weltraumbetrieb und hier befinden sich die Internationale Raumstation sowie die meisten Satelliten. Hier bilden sich auch Polarlichter.
Leuchtende Nachtwolken über der deutschen Stadt Kühlungsborn. Ihre feine und komplexe Struktur und Strömung deuten auf das Vorhandensein atmosphärischer Schwerewellen und Turbulenzen hin. Bildnachweis: Gerd Baumgarten/Leibniz-Institut für Physik der Atmosphäre
Liu arbeitete mit dem Meteorologen Dr. Facundo L. Poblet vom Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik an der Universität Rostock zusammen, dessen Arbeit sich auf die Dynamik und Turbulenz in der unteren Atmosphäre unterhalb einer Höhe von 100 km konzentriert.
„Meine Forschung beschäftigt sich mit Weltraumphysik und ich wollte sehen, ob wir seine meteorologischen Methoden auf mein Forschungsgebiet anwenden können“, erklärt Liu.
Das Team analysierte die Thermosphärenwinddaten von zwei Satelliten, dem Challenging Minisatellite Payload (CHAMP) und dem Gravity Field and Steady State Ocean Circulation Explorer (GOCE). Mit den Daten berechnete das Team die Strukturfunktion dritter Ordnung des Windes, eine statistische Größe, die Informationen über die zugrunde liegende Turbulenz liefert. Zu ihrem Erstaunen entdeckten sie, dass die Thermosphäre ein ähnliches Skalierungsgesetz aufweist wie die untere Atmosphäre.
„Das bedeutet, dass sowohl in der Thermosphäre als auch in der Troposphäre – trotz drastisch unterschiedlicher atmosphärischer Zusammensetzung und Dynamik – denselben physikalischen Gesetzen gehorchen. Die Art und Weise, wie sich Turbulenzen in diesen beiden Regionen bewegen, bilden und auflösen, ist sehr ähnlich“, fährt Liu fort.
Trotz bemerkenswerter Fortschritte beim Verständnis der Thermosphäre ist das komplexe Zusammenspiel der Turbulenzen weitgehend unerforscht geblieben. Das Team ist erfreut, dass seine Erkenntnisse neues Licht auf diesen wenig erforschten Aspekt der Dynamik des erdnahen Weltraums werfen.
„Ähnlich wie bei der atmosphärischen Wettervorhersage ist das Verständnis der Energieverteilung in der Thermosphäre von entscheidender Bedeutung, um unser Verständnis der Weltraumdynamik zu verbessern“, schließt Liu. „Wir hoffen, dass diese Erkenntnisse genutzt werden können, um die Weltraumwettervorhersage zu verbessern und die anhaltende Funktionalität und Sicherheit satellitengestützter Technologien zu gewährleisten, die für das tägliche Leben von wesentlicher Bedeutung sind.“
Mehr Informationen:
Facundo L. Poblet et al, Strukturfunktionen dritter Ordnung von zonalen Winden in der Thermosphäre unter Verwendung von CHAMP- und GOCE-Beobachtungen, Geophysikalische Forschungsbriefe (2024). DOI: 10.1029/2024GL108367