Distinct periodic behaviour of long- and short-period atmospheric gravity waves and their wind filtering in the MLT region

Resumen Técnico: Comportamiento Periódico Distinto de las Ondas de Gravedad Atmosféricas de Largo y Corto Periodo y su Filtrado por el Viento en la Región MLT

Planteamiento del Problema
Las Ondas de Gravedad Atmosférica (AGW, por sus siglas en inglés) son fundamentales para el acoplamiento vertical de la atmósfera, transportando energía y momento desde la atmósfera inferior hacia la Mesosfera y la Baja Termosfera (región ML la MLT). Si bien está establecido que los vientos horizontales de fondo influyen significativamente en la propagación de las AGW mediante mecanismos como el filtrado por viento y las interacciones de nivel crítico, la comprensión cuantitativa de la transición entre los regímenes de AGW controlados por el viento y los controlados por la fuente sigue siendo incompleta. Específicamente, la distinción entre las ondas que exhiben una fuerte variabilidad estacional debido al filtrado por viento y aquellas gobernadas por fuentes locales y transitorias carece de un umbral periódico claro. Este estudio aborda la necesidad de identificar un periodo de transición que delimite estos dos regímenes de ondas distintos e investiga su dependencia estacional de los vientos de fondo.

Metodología
El estudio utiliza un conjunto de datos continuos de tres años (enero de 2023 – diciembre de 2025) de brillo de la luminiscencia nocturna de OH(3–1) y observaciones de temperatura rotacional obtenidas del espectrógrafo de infrarrojos de brillo atmosférico PRL (PAIRS) ubicado en Ahmedabad, India (23°N, 72.6°E).

• Selección de Datos: De 1,096 noches de observación, se seleccionaron 906 noches (aproximadamente el 83%) con al menos 5 horas de datos continuos para el análisis.
• Preprocesamiento: Para aislar las firmas de las AGW, se eliminaron los componentes de mareas dominantes (diurnos y semidiurnos) de las variaciones nocturnas mediante el ajuste de curvas sinusoidales. Posteriormente, se aplicó un promedio móvil de 3 horas a los residuos para separar los componentes de largo periodo, mientras que la diferencia entre los datos sin mareas y el promedio móvil se utilizó para analizar los componentes de corto periodo.
• Análisis Espectral: Se empleó el periodograma de Lomb–Scargle para identificar periodicidades significativas tanto en los residuos de brillo como de temperatura. Solo se consideraron los periodos coherentes observados en ambos parámetros.
• Verificación de Propagación: Se aplicó el método de la razón de Krassovsky para confirmar la propagación vertical. Se utilizó una diferencia de fase negativa entre las oscilaciones de brillo y temperatura ($\phi_B - \phi_T < 0$) como criterio para las ondas de propagación ascendente.
• Correlación con el Viento: Los vientos horizontales de fondo (viento zonal $U_x$ y meridional $U_y$) se derivaron del Modelo de Viento Horizontal (HWM14) a una altitud de 87 km. Estos se compararon con los periodos de onda observados para evaluar la influencia del filtrado por viento.

Contribuciones Clave y Resultados
El análisis revela un periodo de transición distintivo de aproximadamente 3 horas, que separa dos regímenes de comportamiento de las AGW:

1. Ondas de Largo Periodo (> 3 horas):

   • Ocurrencia: Observadas en 267 noches, estas ondas son más frecuentes en el rango de 5–6 horas.
   • Estacionalidad: Exhiben una clara variabilidad estacional, con un pico pronunciado durante los meses de invierno (enero–febrero y noviembre–diciembre) y un valle durante el verano (abril–septiembre).
   • Filtrado por Viento: El análisis espectral confirma una fuerte oscilación anual (365 días) en estos periodos. Existe una alta correlación positiva ($R = 0.89$) entre la actividad de las ondas de largo periodo y el viento horizontal total ($U_h$). El componente de viento meridional ($U_y$) muestra una coherencia estadística más fuerte ($R = 0.78$) con los periodos de onda que el componente zonal ($R = 0.68$), a pesar de que el viento zonal posee una magnitud mayor.
   • Mecanismo: El estudio atribuye este comportamiento al filtrado por viento. Las ondas de largo periodo tienen velocidades de fase lentas ($c_h \ll U_h$), lo que las hace susceptibles a las interacciones de nivel crítico. Las condiciones favorables de viento de fondo durante el invierno permiten que estas ondas de movimiento lento eviten los niveles críticos y se propaguen hacia arriba, mientras que las condiciones desfavorables en verano provocan su disipación.

2. Ondas de Corto Periodo (< 3 horas):

   • Ocurrencia: Observadas en 203 noches, estas ondas muestran una distribución más uniforme a lo largo del año sin un pico estacional dominante.
   • Estacionalidad: El análisis espectral no revela una periodicidad significativa ni un ciclo anual.
   • Independencia del Viento: Estas ondas no muestran una correlación significativa con los vientos horizontales de fondo.
   • Mecanismo: Debido a sus velocidades de fase intrínsecas más altas ($c_h \gg U_h$), son menos sensibles al filtrado por viento. Su ocurrencia está gobernada por mecanismos de fuente localizados, irregulares y transitorios, que potencialmente incluyen la generación in situ dentro de la región MLT vía inestabilidades, en lugar de la propagación ascendente desde la atmósfera inferior.

Significancia
El artículo establece un umbral crítico de ~3 horas que distingue entre dos regímenes de AGW fundamentalmente diferentes en la región MLT. Los hallazgos demuestran que las ondas de largo periodo están controladas dinámicamente por el filtrado de viento de fondo a gran escala, exhibiendo una fuerte modulación estacional, mientras que las ondas de corto periodo están desacopladas de estas variaciones de viento a gran escala y son, en cambio, impulsadas por procesos de fuente local. Esta distinción proporciona un marco cuantitativo más claro para comprender cómo se conforma el espectro de ondas de la MLT mediante la interacción entre los mecanismos de fuente y el campo de viento intermedio. El estudio confirma que el espectro de ondas observado no es una representación directa de la distribución de las fuentes, sino que es significativamente modificado por el filtrado por viento, particularmente para las ondas con periodos superiores a las 3 horas.