物理学者はロケットを使って大気の不安定性を研究します

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物理学者はロケットを使って大気の不安定性を研究します
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Anonim
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研究者たちは、上層大気に液体トリメチルアルミニウムをロケットで噴霧し、その動きを観察しました。そのため、科学者たちは、高度約100kmで中間圏の上層と熱圏の下層で発生する乱流を研究しました。これらの影響を研究することは、物理学者が大気中のガスがどのように混合するかを正確に理解するのに役立ちます。この記事は、ジャーナルJGR:SpacePhysicsに掲載されました。

科学者が調査した渦は、ケルビン・ヘルムホルツ不安定性が原因で発生します。これは、十分な速度差で接触している2つのメディア間で発生します。このような条件下では、変曲点がフロープロファイルに現れ、座標に関する速度の2次導関数が消え、レイリー基準に従って不安定性が発生します。この現象は日常生活で非常に頻繁に見られます。風の間に水面に波が現れるのはケルビン・ヘルムホルツ不安定性です。同じ影響が大気中で継続的に発生し、私たちの惑星だけでなく、木星の大赤斑の境界にも特徴的な乱気流が見られます。

クレムソン大学のRafaelMesquitaは、高度102kmの地球の大気におけるケルビンヘルムホルツ不安定性を観察しました。これを行うために、彼と彼の同僚は、2018年の研究用ロケットの打ち上げ中に得られたデータを使用しました。次に、上層大気の多面的な研究のために、科学者は3つのロケットを打ち上げました。そのうちの2つは、30分間隔で大気中に液体トリメチルアルミニウムを噴霧し、その直後に3番目のロケットが220キログラムの水を空中に投げました。彼らの研究では、著者は最初の2回の打ち上げの結果についてのみ説明しています。3番目のロケットによる水の放出に関するデータの分析は、別の記事で紹介されます。

科学者たちは、地上の監視所とNASAが提供する航空機の、2つの地点から同時に大気中に放出されるガスの動きを監視しました。また、作品の作者が自由に使えるのはライダーであり、その助けを借りて、大気中に放出されたガスの温度を監視することができました。その後、このアプローチにより、物理学者は各瞬間のガスの軌道を正確に再現し、大気中で発生する現象の数値評価を実行することができました。同時に、科学者たちは打ち上げエリアで地球の磁気圏を監視し、磁気嵐とそれに伴う荷電粒子の流れによって大気の乱れが引き起こされないことを確認しました。 2回目の打ち上げが最も成功したことが判明しました。物理学者は、弱い地磁気活動を伴うケルビンヘルムホルツ不安定性に特徴的な乱気流を見ました。

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ロケットから放出されたガスは、ケルビン・ヘルムホルツ不安定性に特徴的な渦を時間とともに形成します。

データを分析する過程で、研究者たちは高度80〜160キロメートルの大気風のプロファイルを再構築することができました。 100〜105キロメートルのレベルでは、空気の流れの間に境界があり、その速度は毎秒90メートル異なっていました。これは、ケルビン・ヘルムホルツ不安定性が発生するための優れた条件です。研究の著者は、この乱流の中で直径約5キロメートルの乱気流が形成されたと判断しました。速度プロファイルのデータと一緒に、これにより物理学者は研究中の媒体のレイノルズ数とフルード数を計算することができ、それぞれ7、2×103と0、29であることが判明しました。

著者らは、得られたデータと理論モデルおよび以前に実施された実験の予測との間に顕著な違いがあることを指摘しています。このような結果は、上層大気の乱流過程に関する科学者の考えを修正し、ガスがそれらの中でどのように混合されているかをよりよく理解するのに役立ちます。現時点では、たとえば、重い分子状窒素が理論の予測よりも高いことが判明することがあるかどうかは明らかではなく、逆に、軽い酸素は大気の下層に沈みます。

ただし、乱流は大気だけでなく、大気にも大きな影響を与える可能性があります。以前、世界の海洋をモデル化するときに乱流をどのように考慮に入れようとしているのかについて説明しました。下層大気の乱気流が飛行機にとって危険である理由については、私たちの資料「聖エルモの飛行」で読むことができます。

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