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实验室研究人员发现汤加火山爆发引起的中高层大气强烈重力波

2022年05月13日 星期五 10:42:30

重力波是中高层大气中无时不在的大气扰动现象,重力波的产生、传播和耗散过程对于中高层大气的动力学、光化学、辐射、以及能量收支产生重要影响。岩石圈以及低层大气强烈扰动事件(例如:地震、火山、台风、雷暴等)是引起中高层大气强烈重力波的重要产生源,同时重力波的传播过程还受到背景大气风场和温度等因素的影响,反过来又会影响或者改变背景大气状态,所以对它的观测和研究非常重要。

2022年1月15日04:14:54 UT,位于南太平洋岛国汤加(Tonga)王国境内Hunga Ha'apai火山岛附近的海底火山(175.39°W,20.55°S)发生猛烈喷发(VEI=6),将水汽和火山灰推送至平流层,并产生强烈的声波和重力波。本次汤加火山爆发为探索声波和重力波在岩石圈、水圈以及大气各圈层的耦合机制提供了天然的实验样本。

实验室中高层大气组徐寄遥研究员和刘晓教授等人合作利用TIMED卫星上搭载的SABER探测器在2022年1月份测量的温度数据,结合本团队去年发布的全球平衡风数据和重力波提取方法,研究了汤加火山爆发引起的平流层、中间层、和低热层的重力波活动。

观测研究发现,火山爆发引起的重力波振幅超过30 K (是通常状况的2倍),单位质量的动量通量为4–320 m2s-2。我们与其它的火山和低层大气剧烈事件进行了对比研究,发现汤加火山引起的动量通量是2021年8月31日Fukutoku-Okanoba火山(141.49°E, 24.28°N)爆发(VEI=4)以及 2016年10月份飓风Matthew引起的动量通量的3–10倍。重力波的主要垂直波长为~13.9–25.5 km,水平相速度为44–81 ms-1。该重力波是一类强烈的相对慢速的重力波,它明显不同于对地观测卫星和GNSS-TEC观测中发现的水平相速度约为310 ms-1的Lamb波和~230-260 ms-1的快速重力波。

这一发现使我们更加丰富了对强点源产生的各种声波和重力波的广谱特性和传播特性的了解。

该研究成果于近期发表在国际著名期刊Geophysical Research Letters上。

Citation:

Liu, X., Xu*, J., Yue, J., & Kogure, M. (2022). Strong Gravity Waves associated with Tonga Volcano Eruption Revealed by SABER Observations. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL098339. https://doi.org/10.1029/2022GL098339



图1:汤加火山红色五角星后SABER的测量点分布a和强重力波剖面对b。a中彩色测量点表示振幅超过20 K的强重力波,红色和蓝色虚线分别表示距离火山2000和4000 km;b的下方标出了强重力波剖面对的位置纬度[Lat],经度[lon],与火山之间的距离[D]和时间差[TD]。

 

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