研究人员观察到日食引发隐藏的穿越大气层的重力波

在这张从国际空间站拍摄的照片中，2023 年 10 月 14 日日环食期间，月球从太阳前方经过，投下阴影（即本影），使德克萨斯州上方的部分地球表面变暗。 图片来源：美国国家航空航天局

来自美国三所大学的学生团队首次测量到了科学家们早已预测到的现象：日食会在地球大气层中产生被称为大气重力波的涟漪。 在2023年10月14日北美日环食期间捕获的数据中出现了这种波的明显特征，这是由美国国家航空航天局（NASA）赞助的全国日食气球项目（NEBP）的一部分。

通过 NEBP，高中和大学学生团队沿日食路径驻扎在美国多个州，他们在那里释放携带仪器包的气象气球，目的是进行工程研究或大气科学实验。 位于新墨西哥州的一组科学小组收集到的数据明确地将日食与大气重力波的形成联系起来，这一发现可能会改善天气预报。

"了解大气层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层，进而帮助我们做出更准确的天气预测，最终更好地了解气候变化"。

重力波和引力波虽然听起来相似，但指的是完全不同的概念。 重力波发生在大气和海洋环境中，是由流体元素偏离平衡时重力的稳定作用引起的。 它们表现为相关介质密度和压力的波动。 而引力波是一种宇宙现象，涉及大质量天文事件（如黑洞或中子星碰撞）引起的时空扭曲。 这些波以光速传播，科学家于2015年首次观测到它们，证实了爱因斯坦广义相对论的一个重要预言。

在新墨西哥州捕捉波浪

之前的气球团队也曾在早期的日食期间捕捉大气重力波，这项研究得到了美国国家航空航天局（NASA）和美国国家科学基金会（National Science Foundation）的支持。 2019 年，驻扎在智利的 NEBP 小组收集到了很有希望的数据，但每小时释放的气球并没有提供足够的细节。 2020 年，阿根廷的COVID-19旅行限制和智利的一场暴雨阻碍了数据收集工作，使得重复实验的尝试落空。

项目负责人在为 2023 年制定计划时考虑到了这些经验教训，安排每 15 分钟释放一次气球，并仔细权衡最有可能取得成功的地点。

位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心气候与辐射实验室研究员、大气重力波研究联合研究员龚杰说："新墨西哥州看起来特别有希望。大气重力源大部分是对流、天气系统和山脉。 我们希望消除所有这些可能的来源。"

该项目在莫里亚蒂镇建立了一个新墨西哥州的"超级站点"，四个大气科学小组聚集在这里：两个来自新罕布什尔州普利茅斯州立大学，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各一个。

学生们在日食前一天上午 10 点开始发射气球。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："他们轮班工作了一天一夜，然后所有人都在现场观看日食。"

科学小组释放的每个气球都携带了一个无线电探空仪，这是一个仪器包，在气球爬升穿过大气层的每一秒都能测量温度、位置、湿度、风向和风速。 无线电探空仪将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上，龚和两名研究生花了几个月的时间对数据进行处理和分析。

2024年春天，日食在新墨西哥州上空产生大气重力波的说法得到了证实。

"我们把所有数据按照时间排列在一起，绘制出时间序列图时，我已经能看到信号中的条纹了，"龚说。"我轰炸了所有人的电子邮件。 我们相当兴奋"。

2023年10月14日，普利茅斯州立大学学生莎拉-布里甘迪（左）和萨曼莎-布莱（Sammantha Boulay）从新墨西哥州莫里亚蒂释放气象气球，收集大气数据。 资料来源：美国国家航空航天局

该计划为许多学生提供了首次收集数据的经验。 但它带来的好处远不止技术和科学技能。

"学生们在发射气象气球的实践中学到了很多东西，"凯尔西说。"这是一个巨大的学习曲线。 他们必须齐心协力，解决所有后勤问题并排除故障。 这对团队合作技能是很好的锻炼。所有这些在技术上都很复杂，虽然现在的重点是科学成果，但最重要的是，是学生们实现了这一目标"。

美国国家航空航天局（NASA）的科学任务局科学激活计划为 NEBP 提供了资金，国家空间资助学院和奖学金项目也提供了捐助，NASA 的气球计划办公室也提供了支持。

编译自/scitechdaily