Wie die aktuelle Megadürre im Südwesten Nordamerikas die obere Atmosphäre der Erde beeinflusst

Neue Forschungsergebnisse, die auf Daten aus zwei Jahrzehnten basieren, zeigen, dass die Megadürre im Südwesten Nordamerikas (SWNA) in den zehn Jahren nach ihrem Beginn im Jahr 2000 eine 30-prozentige Änderung der Schwerewellenaktivität in der oberen Erdatmosphäre verursachte.

Vor mehr als 30 Jahren taten sich Chester Gardner vom Institut für Elektrotechnik und Computertechnik der UIUC und Chiao-Yao She vom Institut für Physik der Colorado State University zusammen, um die mittlere Erdatmosphäre zu untersuchen. Unter Verwendung von Natriumresonanz-Laserradar (Lidar) entwickelten und demonstrierten Gardner und She eine wichtige neue Technik zur Messung von Temperaturprofilen in der oberen Erdatmosphäre.

Anschließend konnten sie über einen Zeitraum von 20 Jahren an zwei Orten (Albuquerque, New Mexico und Fort Collins, Colorado) Veränderungen der Schwerewellen der oberen Atmosphäre beobachten. Ihre Ergebnisse, die beschreiben, wie sich die Wellen nach Beginn der Dürre verändert haben, wurden jetzt in veröffentlicht Geophysikalische Forschungsbriefe.

1994 installierte ein Team unter der Leitung von Gardner ein Lidar-System an einem großen Teleskop der Starfire Optical Range außerhalb von Albuquerque, NM, auf der Kirtland Air Force Base. Das Lidar-System maß Temperatur und Winde in der oberen Atmosphäre, wobei bis Ende 2000 atomares Natrium als Zielspezies verwendet wurde.

Die Quelle dieses atomaren Natriums sind kosmische Staubpartikel, die in der Erdatmosphäre verdampft werden. Mit einem Laserstrahl lässt sich atomares Natrium zum Leuchten anregen. Ein Teleskop am Boden sammelt das zurückgestreute Licht der Natriumfluoreszenz und Computer verarbeiten diese Informationen, um Profile der Natriumdichte, Temperatur und radialen Windgeschwindigkeit abzuleiten. Ihr Team an der CSU machte ähnliche Beobachtungen in Ft. Collins, CO, und erstellte schließlich einen umfangreichen Datensatz, der 20 Jahre von 1990 bis 2010 umfasste.

Die Entdeckung von Veränderungen der Wellenaktivität während der Megadürre war ein glückliches Nebenprodukt anderer Forschung. Die Forscher untersuchten, wie Temperatur und Winde in der oberen Atmosphäre aufgrund von Wellen schwanken, die in der unteren Atmosphäre erzeugt werden, und waren überrascht, nach Beginn der Dürre erhebliche Änderungen der Gravitationswellenaktivität festzustellen.

„Wir hatten nie erwartet, Beobachtungen zu machen, die einen Einblick geben würden, wie eine Dürre die obere Atmosphäre der Erde beeinflussen könnte“, sagt Gardner.

Nach einem Blick auf Gardners Daten aus Albuquerque und Shes Daten aus Ft. Collins, was sie fanden, war eine signifikante Verringerung (~30%) der Wellenaktivität nach Beginn der Dürre. Die Änderungen in der Schwerewellenaktivität können mit einer verringerten Wellenerzeugung durch troposphärische Stürme während der Megadürre und mit einer veränderten geografischen Verteilung von Niederschlagsereignissen im Westen und Mittleren Westen der Vereinigten Staaten zusammenhängen. Einfach ausgedrückt bedeutet weniger Niederschlag weniger Stürme, also werden weniger Wellen durch Stürme erzeugt.

Was ist eine Megadürre?

Eine Megadürre ist eine anhaltende Dürreperiode, die zwei Jahrzehnte oder länger andauert. Die Megadürre im Südwesten Nordamerikas begann im Jahr 2000 und hält auch 22 Jahre später an, ohne dass ein Ende in Sicht ist.

Gardner und She sagen, dass die SWNA-Megadürre nicht nur wegen ihrer Dauer von Bedeutung ist, sondern auch wegen der Größe der betroffenen geografischen Region, die sich von Nordmexiko bis zu den nördlichen Grenzen von Oregon und Wyoming und von der Pazifikküste bis zu den USA erstreckt östlichen Grenzen von Wyoming, Colorado und New Mexico.

Es wird angenommen, dass diese besondere Megadürre die trockenste 22-Jahres-Periode in der Region seit 800 n. Chr. Ist. Es wurde argumentiert, dass die vom Menschen verursachte Erwärmung der Erdatmosphäre möglicherweise stattgefunden hat mehr als 40 % beigetragen der Schwere der Megadürre.

Gravitationswellen (keine Gravitationswellen)

Gravitationswellen– nicht zu verwechseln Gravitationswellen die mit kosmologischen Phänomenen wie Schwarzen Löchern in Verbindung gebracht werden – treten an der Grenzfläche zwischen zwei Medien auf, wenn Schwerkraft oder Auftrieb versuchen, das Gleichgewicht wiederherzustellen. Gardner erklärt, dass dieser Effekt so ist, als würde man einen Stein in einen Wasserteich fallen lassen. Der Stein verschiebt die Oberfläche des Teiches und drückt Wasser nach unten; Der Auftrieb stellt das Wasser wieder her, das dann oszilliert und einen Wellenring erzeugt, der sich nach außen ausbreitet. Das sind Schwerewellen.

Eine Möglichkeit, wie Wellen in der unteren Atmosphäre erzeugt werden, ist die Sturmkonvektion, die Schwerewellen auslöst, indem sie eine vertikale Bewegung verursacht, die zu Schwingungen führt. Wellen können auch durch Luft erzeugt werden, die über topografische Merkmale wie Berge strömt und die Luft nach oben verdrängt.

Während sich Wellen in einem Teich nur entlang der Luft-Wasser-Grenzfläche ausbreiten, breiten sich Schwerewellen in der Atmosphäre in alle Richtungen aus. Solche Wellen treiben die globale Zirkulation der oberen Atmosphäre an und können sich auf das Weltraumwetter und die Umlaufbahnen von Satelliten auswirken.

Wirkungsvolle Ergebnisse

Gardner und She sagen, dass diese Arbeit konsequent ist, weil sie zeigt, dass regionale Veränderungen in der unteren Atmosphäre auch die obere Atmosphäre beeinflussen können. Sie glauben, dass dies das erste Mal ist, dass ein regionaler Klimaeffekt in der oberen Atmosphäre beobachtet wurde.

Die Ergebnisse können verwendet werden, um die nächste Generation regionaler hochauflösender atmosphärischer Computermodelle zu testen und zu validieren, die die von Lidar beobachteten kleinräumigen Wellen auflösen können.

Gardner erklärt: „Aktuelle atmosphärische Modelle können die Wellen nicht sehen, weil die Auflösung selbst bei den schnellsten Computermodellen nicht ausreicht, um das Ausmaß dieser Wellen zu sehen. Jetzt entwickeln Wissenschaftler regionale Modelle mit sehr hoher Auflösung, damit die Modelle kann die größeren Wellen sehen. Unsere Beobachtungen können verwendet werden, um die Genauigkeit dieser Modelle zu testen und sie zu validieren.“