学生团队证实日食会产生大气重力波

来自美国三所大学的学生团队首次测量了科学家们长期以来预测的结果：日食会在地球大气层中产生涟漪，即大气重力波。这种波浪的明显特征出现在 2023 年 10 月 14 日北美日环食期间捕获的数据中，这是美国宇航局赞助的全国日食气球项目 (NEBP) 的一部分。

通过 NEBP，高中和大学生团队驻扎在美国多个州的日食路径沿线，在那里他们释放了携带用于进行工程研究或大气科学实验的仪器包的气象气球。位于新墨西哥州的一组科学团队收集了明确将日食与大气重力波形成联系起来的数据，这一发现可能会改善天气预报。

“了解大气在日食这种特殊情况下的反应有助于我们更好地了解大气，进而帮助我们做出更准确的天气预报，并最终更好地了解气候变化。”

在新墨西哥州冲浪

此前，气球飞行小组也曾在早期日食期间搜寻过大气重力波，这项研究得到了美国宇航局和美国国家科学基金会的支持。2019 年，驻扎在智利的 NEBP 小组收集了有希望的数据，但每小时释放一次气球并没有提供足够的细节。2020 年重复这项实验的尝试因阿根廷的 COVID-19 旅行限制和智利的暴雨阻碍数据收集而受挫。

项目负责人在规划2023年时考虑到了这些经验教训，每15分钟安排一次气球释放，并仔细权衡最有可能成功的地点。

“新墨西哥州看起来尤其有希望，”美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心气候与辐射实验室的研究员、大气重力波研究的联合研究员杰·龚说。“大多数大气重力源是对流、天气系统和山脉。我们希望排除所有这些可能的来源。”

该项目在新墨西哥州莫里亚蒂镇建立了一个“超级站点”，四个大气科学团队集中于此：两个来自新罕布什尔州普利茅斯的普利茅斯州立大学，另外两个分别来自纽约州立大学奥尔巴尼分校和纽约州立大学奥斯威戈分校。

日食前一天上午 10 点，学生们开始放飞气球。

“他们日夜轮班工作，然后每个人都在现场观察日食，”普利茅斯州立大学研究副教授兼 NEBP 东北地区负责人 Eric Kelsey 说。

科学团队放飞的每个气球都携带着无线电探空仪，这是一种仪器包，用于测量气球在穿过大气层时每一秒的温度、位置、湿度、风向和风速。无线电探空仪将这一原始数据流传输给地面上的团队。学生们将数据上传到共享服务器，龚和两名研究生在那里花了几个月的时间对其进行处理和分析。

2024 年春季，确认日食在新墨西哥州上空产生了大气重力波。

“我们根据时间将所有数据放在一起，当我们绘制时间序列时，我已经可以看到信号中的条纹，”龚说。“我给每个人都发了电子邮件。我们非常兴奋。”

对于学生来说，学习曲线带来了机会

该项目为许多学生提供了首次收集数据的经验。但其益处不仅仅局限于技术和科学技能。

“学生们通过练习发射气象气球学到了很多东西，”凯尔西说。“这是一个巨大的学习过程。他们必须齐心协力，弄清楚所有的后勤工作并排除故障。这是团队合作技能的良好练习。”

“从技术角度来说，这一切非常复杂，”德斯·贾丹斯说。“虽然现在的重点是科学成果，但最重要的是，是学生让这一切成为现实。”