Forscher entdecken, dass Erde und Weltraum die gleichen Turbulenzen haben

In einem Artikel veröffentlicht in Geophysikalische ForschungsbriefeForscher entdeckten, dass Turbulenzen in der Thermosphäre denselben physikalischen Gesetzen unterliegen wie Wind in der unteren Atmosphäre. Darüber hinaus dreht sich der Wind in der Thermosphäre hauptsächlich in Zyklonrichtung, das heißt, er dreht sich auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn und auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn.

Die Ergebnisse offenbaren ein neues einheitliches Prinzip für die vielfältigen Umweltsysteme der Erde und können möglicherweise zukünftige Vorhersagen des terrestrischen und Weltraumwetters verbessern.

Irgendwann gehen wir online, um die neuesten Wettervorhersagen zu prüfen, und obwohl sie uns einen guten Überblick über unsere täglichen atmosphärischen Bedingungen geben, mangelt es der Forschung, die darauf abzielt, zu untersuchen, wie sich die Luft auf der Erde bewegt, schwindelerregend.

„Auf einer grundlegenden Ebene untersuchen wir die Wechselwirkung der kinetischen Energie in der Atmosphäre in verschiedenen Größen und Maßstäben. Diese Energie tritt hauptsächlich in Form von Wind und Turbulenzen auf. Im Laufe der Jahrzehnte hat uns eine riesige Datenmenge geliefert, die uns hilft, das zu verstehen.“ wie dies geschieht und sich auflöst, um das Wetter in der Troposphäre, der untersten Schicht der Atmosphäre, zu beeinflussen“, erklärt Professor Huixin Liu von der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Kyushu, der die Studie leitete.

„Mein Forschungsschwerpunkt liegt auf Bewegungen in der oberen Atmosphäre, insbesondere der Thermosphäre, wo wir die entsprechenden Gesetze erforschen, die die Dynamik und den Energiefluss in der Region bestimmen.“

Die Thermosphäre ist ein Teil der Atmosphäre, der sich etwa 80 bis 550 km über dem Meeresspiegel befindet und oft als Tor zum Weltraum bezeichnet wird. Dies ist eine kritische Region für Weltraumoperationen und hier befinden sich die Internationale Raumstation sowie die meisten Satelliten. Hier entsteht auch das Polarlicht.

Liu arbeitete mit dem Meteorologen Dr. Facundo L. Poblet vom Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik der Universität Rostock zusammen, dessen Arbeit sich auf Dynamik und Turbulenzen in der unteren Atmosphäre unterhalb einer Höhe von 100 km konzentriert.

„Mein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Weltraumphysik und ich wollte sehen, ob wir seine meteorologischen Methoden auf mein Forschungsgebiet anwenden können“, sagt Liu.

Das Team analysierte Thermosphären-Winddaten von zwei Satelliten, dem Challenging Minisatellite Payload (CHAMP) und dem Gravity Field and Steady State Ocean Circulation Explorer (GOCE). Mit diesen Daten berechnete das Team die Strukturfunktion dritter Ordnung des Windes, eine statistische Größe, die Aufschluss über die zugrunde liegende Turbulenz gibt. Zu ihrem großen Erstaunen stellten sie fest, dass die Thermosphäre ein ähnliches Skalierungsgesetz aufweist wie die untere Atmosphäre.

„Das bedeutet, dass die Thermosphäre und die Troposphäre trotz völlig unterschiedlicher atmosphärischer Zusammensetzung und Dynamik denselben physikalischen Gesetzen folgen. 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 noch weitgehend unklar, und das Team freut sich, dass ihre Ergebnisse neues Licht auf diesen wenig erforschten Aspekt der raumnahen Dynamik werfen werden.

„Ähnlich wie bei der atmosphärischen Wettervorhersage ist das Verständnis der Energieverteilungen in der Thermosphäre von entscheidender Bedeutung, um unser Verständnis der räumlichen Dynamik voranzutreiben“, schließt Liu. „Wir hoffen, dass diese Ergebnisse dazu genutzt werden können, die Weltraumwettervorhersage zu verbessern und den kontinuierlichen Betrieb und die Sicherheit von Satellitentechnologien zu gewährleisten, die für das tägliche Leben unerlässlich sind.“