美國大學的研究團隊在2023年日食期間證明，這種事件會引發大氣重力波，美國國家航空暨太空總署（NASA）贊助的氣球發射數據就是證明。 這項突破提供了新的見解，可以加強天氣預報和我們對大氣動力學的理解。

在這張從國際太空站拍攝的照片中，2023 年10 月14 日日環食期間，月球從太陽前方經過，投下陰影（即本影），使德克薩斯州上方的部分地球表面變暗。 圖片來源：美國國家航空暨太空總署

來自美國三所大學的學生團隊首次測量到了科學家早已預測到的現象：日食會在地球大氣層中產生被稱為大氣重力波的漣漪。 在2023年10月14日北美日環食期間捕獲的數據中出現了這種波的明顯特徵，這是由美國國家航空航天局（NASA）贊助的全國日食氣球計畫（NEBP）的一部分。

透過NEBP，高中和大學學生團隊沿著日食路徑駐紮在美國多個州，他們在那裡釋放攜帶儀器包的氣象氣球，目的是進行工程研究或大氣科學實驗。 位於新墨西哥州的一組科學小組收集到的數據明確地將日食與大氣重力波的形成聯繫起來，這項發現可能會改善天氣預報。

“了解大氣層在日食這種特殊情況下的反應有助於我們更好地了解大氣層，進而幫助我們做出更準確的天氣預測，最終更好地了解氣候變遷”。

重力波和重力波雖然聽起來相似，但指的是完全不同的概念。 重力波發生在大氣和海洋環境中，是由流體元素偏離平衡時重力的穩定作用所引起的。 它們表現為相關介質密度和壓力的波動。 而重力波是一種宇宙現象，涉及大質量天文事件（如黑洞或中子星碰撞）引起的時空扭曲。 這些波以光速傳播，科學家於2015年首次觀測到它們，證實了愛因斯坦廣義相對論的一個重要預言。

在新墨西哥州捕捉波浪

先前的氣球團隊也曾在早期的日食期間捕捉大氣重力波，這項研究得到了美國國家航空暨太空總署（NASA）和美國國家科學基金會（National Science Foundation）的支持。 2019 年，駐紮在智利的NEBP 小組收集了很有希望的數據，但每小時釋放的氣球並沒有提供足夠的細節。 2020 年，阿根廷的COVID-19旅行限制和智利的一場暴雨阻礙了資料收集工作，使得重複實驗的嘗試落空。

專案負責人在為2023 年制定計劃時考慮到了這些經驗教訓，安排每15 分鐘釋放一次氣球，並仔細權衡最有可能成功的地點。

位於馬裡蘭州格林貝爾特的美國太空總署戈達德太空飛行中心氣候與輻射實驗室研究員、大氣重力波研究聯合研究員龔傑說：”新墨西哥州看起來特別有希望。大氣重力源大部分是對流、天氣系統和山脈。

該計畫在莫里亞蒂鎮建立了一個新墨西哥州的”超級站點”，四個大氣科學小組聚集在這裡：兩個來自新罕布什爾州普利茅斯州立大學，紐約州立大學奧爾巴尼分校和紐約州立大學奧斯威戈分校各一個。

學生們在日食前一天上午10 點開始發射氣球。普利茅斯州立大學研究副教授兼NEBP 東北地區負責人Eric Kelsey 說：”他們輪班工作了一天一夜，然後所有人都在現場觀看日食。”

科學團隊釋放的每個氣球都攜帶了一個無線電探空儀，這是一個儀器包，在氣球爬升穿過大氣層的每一秒都能測量溫度、位置、濕度、風向和風速。 無線電探空儀將原始資料流傳輸給地面上的團隊。 學生將數據上傳到共享伺服器上，龔和兩名研究生花了幾個月的時間對數據進行處理和分析。

2024年春天，日食在新墨西哥州上空產生大氣重力波的說法得到了證實。

“我們把所有資料依照時間排列在一起，繪製出時間序列圖時，我已經能看到訊號中的條紋了，」龔說。 ” 我轟炸了所有人的電子郵件。我們相當興奮”。

2023年10月14日，普利茅斯州立大學學生莎拉-布里甘迪（左）和薩曼莎-布萊（Sammantha Boulay）從新墨西哥州莫里亞蒂釋放氣象氣球，收集大氣資料。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

該計劃為許多學生提供了首次收集數據的經驗。 但它帶來的好處遠不止於技術和科學技能。

「學生們在發射氣象氣球的實踐中學到了很多東西，」凱爾西說。 “這是一個巨大的學習曲線。 他們必須齊心協力，解決所有後勤問題並排除故障。 這對團隊合作技能是很好的鍛煉。所有這些在技術上都很複雜，雖然現在的重點是科學成果，但最重要的是，是學生們實現了這個目標”。

美國國家航空暨太空總署（NASA）的科學任務局科學活化計畫為NEBP 提供了資金，國家太空資助學院和獎學金計畫也​​提供了捐助，NASA 的氣球計畫辦公室也提供了支持。

編譯自/ scitechdaily