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

Resumo Técnico: Comportamento Periódico Distinto de Ondas de Gravidade Atmosféricas de Longo e Curto Período e sua Filtragem pelo Vento na Região MLT

Definição do Problema
As Ondas de Gravidade Atmosféricas (AGWs) são fundamentais para o acoplamento vertical da atmosfera, transportando energia e momento da atmosfera inferior para a Mesosfera e a Baixa Termosfera (MLT). Embora esteja estabelecido que os ventos horizontais de fundo influenciam significamente a propagação das AGWs através de mecanismos como filtragem pelo vento e interações de nível crítico, uma compreensão quantitativa da transição entre os regimes de AGW controlados pelo vento e controlados pela fonte permanece incompleta. Especificamente, a distinção entre ondas que exibem forte variabilidade sazonal devido à filtragem pelo vento e aquelas governadas por fontes locais e transientes carece de um limiar periódico claro. Este estudo aborda a necessidade de identificar um período de transição que delineie esses dois regimes distintos de ondas e investiga sua dependência sazonal em relação aos ventos de fundo.

Metodologia
O estudo utiliza um conjunto de dados contínuo de três anos (janeiro de 2023 – dezembro de 2025) de brilho do nightglow OH(3–1) e observações de temperatura rotacional obtidas pelo espectrógrafo infravermelho de ar de solo PAIRS (Primal Airglow InfraRed Spectrograph), localizado em Ahmedabad, Índia (23°N, 72.6°E).

• Seleção de Dados: Das 1.096 noites de observação, 906 noites (aprox. 83%) com pelo menos 5 horas de dados contínuos foram selecionadas para análise.
• Pré-processamento: Para isolar as assinaturas das AGWs, os componentes de maré dominantes (diurnos e semidiurnos) foram removidos das variações noturnas utilizando o ajuste de curva sinusoidal. Uma média móvel de 3 horas foi subsequentemente aplicada aos resíduos para separar os componentes de longo período, enquanto a diferença entre os dados após a remoção da maré e a média móvel foi utilizada para analisar os componentes de curto período.
• Análise Espectral: O periodograma de Lomb–Scargle foi empregado para identificar periodicidades significativas tanto nos resíduos de brilho quanto de temperatura. Apenas períodos coerentes observados em ambos os parâmetros foram considerados.
• Verificação de Propagação: O método da razão de Krassovsky foi aplicado para confirmar a propagação vertical. Uma diferença de fase negativa entre as oscilações de brilho e temperatura ($\phi_B - \phi_T < 0$) foi utilizada como critério para ondas de propagação ascendente.
• Correlação com o Vento: Os ventos horizontais de fundo (componentes zonal $U_x$ e meridional $U_y$) foram derivados do Modelo de Vento Horizontal (HWM14) a uma altitude de 87 km. Estes foram comparados com os períodos de onda observados para avaliar a influência da filtragem pelo vento.

Principais Contribuições e Resultados
A análise revela um período de transição distinto de aproximadamente 3 horas, separando dois regimes de comportamento das AGWs:

1. Ondas de Longo Período (> 3 horas):

   • Ocorrência: Observadas em 267 noites, estas ondas são mais frequentes na faixa de 5–6 horas.
   • Sazonalidade: Elas exibem uma clara variabilidade sazonal, com um pico pronunciado durante os meses de inverno (janeiro–fevereiro e novembro–dezembro) e um vale durante o verão (abril–setembro).
   • Filtragem pelo Vento: A análise espectral confirma uma forte oscilação anual (365 dias) nestes períodos. Há uma alta correlação positiva ($R = 0,89$) entre a atividade das ondas de longo período e o vento horizontal total ($U_h$). A componente de vento meridional ($U_y$) mostra uma coerência estatística mais forte ($R = 0,78$) com os períodos de onda do que a componente zonal ($R = 0,68$), apesar de o vento zonal possuir uma magnitude maior.
   • Mecanismo: O estudo atribui este comportamento à filtragem pelo vento. As ondas de longo período possuem velocidades de fase lentas ($c_h \ll U_h$), tornando-as suscetíveis a interações de nível crítico. Condições favoráveis de vento de fundo durante o inverno permitem que estas ondas de movimento lento evitem os níveis críticos e se propaguem para cima, enquanto condições desfavoráveis no verão levam à sua dissipação.

2. Ondas de Curto Período (< 3 horas):

   • Ocorrência: Observadas em 203 noites, estas ondas mostram uma distribuição mais uniforme ao longo do ano, sem um pico sazonal dominante.
   • Sazonalidade: A análise espectral não revela periodicidade significativa ou ciclo anual.
   • Independência do Vento: Estas ondas não mostram correlação significativa com os ventos horizontais de fundo.
   • Mecanismo: Devido às suas velocidades de fase intrínsecas mais altas ($c_h \gg U_h$), elas são menos sensíveis à filtragem pelo vento. Sua ocorrência é governada por mecanismos de fonte irregulares, locais e transientes, potencialmente incluindo a geração in-situ dentro da região MLT via instabilidades, em vez da propagação ascendente a partir da atmosfera inferior.

Significância
O artigo estabelece um limiar crítico de ~3 horas que distingue dois regimes fundamentalmente diferentes de AGWs na região MLT. Os achados demonstram que as ondas de longo período são controladas dinamicamente pela filtragem do vento de fundo de grande escala, exibindo forte modulação sazonal, enquanto as ondas de curto período estão desacopladas dessas variações de vento de grande escala e são, em vez disso, impulsionadas por processos de fonte locais. Esta distinção fornece um quadro quantitativo mais claro para entender como o espectro de ondas da MLT é moldado pela interação entre mecanismos de fonte e o campo de vento interveniente. O estudo confirma que o espectro de ondas observado não é uma representação direta da distribuição de fontes, mas é significativamente modificado pela filtragem pelo vento, particularmente para ondas com períodos superiores a 3 horas.