پژوهشگران ژاپنی امیدوارند که پروژه جدید آنها بتواند به آشکار کردن برخی از فرآیندهای کمتر بررسی‌شده در پوشش گازی سیاره ما از جمله شفق‌های قطبی باشکوه کمک کند.

به نقل از اسپیس، برخی از قسمت‌های جو زمین به طور مداوم با جزئیات باورنکردنی مورد بررسی قرار می‌گیرند. برای مثال، میلیون‌ها ایستگاه هواشناسی در سراسر جهان، صدها بالون هواشناسی و تعداد بی‌شماری از هواپیماها روزانه به بررسی کل تروپوسفر زمین که پایین‌ترین منطقه جو سیاره است، می‌پردازند. بالون‌ها به قسمت پایینی استراتوسفر زمین نیز می‌رسند. مقدار داده‌های تولیدشده در این بررسی‌ها به قدری زیاد است که مدل‌های محاسباتی جدید آب‌وهوا را تقریبا بی‌خطا می‌کند.

با وجود این، اگر کمی بالاتر نگاه کنید، می‌بینید که داستان کاملا متفاوت است. مزوسفر که لایه‌ای از هوای پراکنده بالای استراتوسفر است و تقریبا به لبه فضا می‌رسد، کاملا ناشناخته است. آن قدر اطلاعات کمی درباره فرآیندهای مزوسفر وجود دارد که گاهی اوقات این منطقه را «ایگنوروسفر»(Ignorosphere) یا «نادیده‌کُره» می‌نامند. این خلأ موجود در دانش ما نتیجه دست‌نیافتنی بودن ایگنوروسفر است که برای بالون‌های استراتوسفر بسیار بالا و برای ماهواره‌هایی که در مدار پایین زمین قرار دارند، بسیار پایین است.

گروهی از پژوهشگران «دانشگاه توکیو» (UTokyo) تلاش کردند تا مشکل را با استفاده از مدل‌سازی رایانه‌ای حل کنند. آنها بررسی‌های نادر را که با موشک‌ها و رادارهای زمینی و فناوری لیدار به دست می‌آیند، روی پارامترهای هواشناسی ایگنوروسفر انجام دادند و آنها را به یک سیستم جدید همسان‌سازی داده‌ها که پیشتر توسعه داده بودند، وارد کردند. یکسان‌سازی داده‌ها روشی است که مدل‌سازی را با مشاهدات مستقیم برای پیش‌بینی تکامل یک سیستم ترکیب می‌کند. سپس، به سیستم دستور داده شد آنچه را که ممکن است در مزوسفر در حال وقوع باشد، بازسازی کند تا شکاف‌ها را پر کند.

پژوهشگران از این مدل برای تولید داده‌هایی استفاده کردند که شامل تکامل کل اتمسفر تا ارتفاع ۱۱۰ کیلومتری است. آنها از نتیجه بررسی‌های صورت‌گرفته روی بادهای مزوسفر که توسط رادار زمینی به‌ دست ‌آمده بود، برای تأیید برخی پارامترها در مدل استفاده کردند تا از نتایج آن اطمینان حاصل کنند. این مجموعه داده، بازه زمانی بین سپتامبر ۲۰۰۴ تا دسامبر ۲۰۲۳ را پوشش می‌دهد و پژوهشگران را قادر می‌سازد تا برخی از پدیده‌های مرموز از جمله شفق قطبی را که در ارتفاعات بالاتر رخ می‌دهند، کاوش و مدل‌سازی کنند.

«کائورو ساتو»(Kaoru Sato)، استاد دانشگاه توکیو و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: برای تروپوسفر و استراتوسفر، داده‌های زیادی داریم و مدل‌سازی عددی برای این منطقه تقریبا کامل است. در منطقه بالا، مدل‌ها به این خوبی عمل نمی‌کنند؛ زیرا داده‌های دقیقی را درباره شرایط اولیه ندارند. مجموعه داده ما می‌تواند داده‌های مورد نیاز را فراهم کند.

ایگنوروسفر یک ناحیه جوی است که بسیاری از اثرات مربوط به آب‌وهوای فضا در آن رخ می‌دهند. هنگامی که فوران ذرات باردار خورشید به سیاره ما برخورد می‌کند، با گازهای بالای زمین ادغام می‌شود و مولکول‌های هوا را تحریک می‌کند. با رخ دادن این اتفاق، مولکول‌ها درخشش مسحورکننده‌ای را نشان می‌دهند که به عنوان شفق‌های قطبی روی زمین مشاهده می‌شوند، اما اثرات کمتر قابل مشاهده دیگری نیز وجود دارد که آب‌وهوای فضا بر جو می‌گذارد.

ساتو گفت: ذرات پرانرژی خورشیدی می‌توانند شیمی ازن را تغییر دهند و آن را مختل کنند. همچنین، ما می‌دانیم پدیده شفق قطبی می‌تواند امواج گرانشی را ایجاد کند که سپس به سمت پایین در جو منتشر می‌شوند.

امواج گرانشی که نباید با امواج گرانشی ناشی از برخوردهای سیاه‌چاله و سایر برخوردهای چشمگیر اشتباه گرفته شوند، در سراسر جو رخ می‌دهند. آنها انرژی را به سراسر جهان منتقل می‌کنند و بر الگوهای آب‌وهوایی تأثیر می‌گذارند. با وجود این، مدل‌سازان آب‌وهوا تاکنون نمی‌توانستند اثر امواج گرانشی را که در ارتفاعات بالاتر رخ می‌دهند، درک کنند.

ساتو گفت: مجموعه داده ما شرایط اولیه را با وضوح بسیار بالا برای مدل گردش عمومی جو فراهم می‌کند. بنابراین، به ما امکان می‌دهد تا امواج گرانشی را در کل جو زمین -از سطح تا لبه فضا- شبیه‌سازی کنیم.

این داده‌ها به پژوهشگران کمک می‌کنند تا به درک چگونگی تأثیر فرآیندهای پایین‌تر جو بر یونوسفر در ارتفاع ۸۰ کیلومتری بپردازند که در آن ذرات گازی دائما توسط باد خورشیدی یونیزه می‌شوند. ساتو گفت: امواج جوی از جمله امواج گرانشی و امواج جزر و مدی در مقیاس جهانی بر فرآیندی در یونوسفر تأثیر می‌گذارند که جریان الکتریکی را در اطراف سیاره از طریق تعامل بین خطوط میدان مغناطیسی زمین و حرکات هوای یونیزه‌شده یونوسفر ایجاد می‌کند.

این پژوهش در مجله «Earth and Planetary Science» به چاپ رسید.