Przewidywanie huraganów, ostrzeganie przed trzęsieniami ziemi, kontrolowanie globalnych zjawisk atmosferycznych - to marzenie współczesnej nauki, która bada kompleksy przyczyn leżących u podstaw zdarzenia. Huraganowy wiatr to jeden z obszarów badań fizyki atmosfery, który od wielu lat z powodzeniem przewiduje trajektorie wirów, ale nadal nie jest w stanie przewidzieć ich siły, a tym samym skali możliwego zniszczenia.
Od 20 lat badania toczą się wokół równania huraganu, które wywodzi się z naszego zrozumienia mechanizmu jego powstawania. Powiedzmy, że nad oceanem tworzy się huragan. Było to spowodowane konwekcyjnym wzrostem ciepłego i wilgotnego powietrza, kondensacją pary wodnej z uwolnieniem utajonego ciepła parowania. Ale jeśli zamiast zmiennych ustawimy niezbędne liczby, w żaden sposób nie uzyskamy tak dużej prędkości wiatru, jaką można zaobserwować w rzeczywistości.
Powszechnie wiadomo, że im więcej wiatru, tym więcej fal na powierzchni wody. Fale są naturalną „szorstkością”, która tworzy siłę tarcia między wiatrem a powierzchnią. Jeśli weźmiemy pod uwagę równowagę między wkładem energii a jej pochłanianiem na skutek tarcia, okazuje się, że im silniejszy wiatr, tym większa będzie ta absorpcja. Oznacza to, że fale powinny „ugasić” wiatr, ale w rzeczywistości tak się nie dzieje.
Trąba powietrzna nad Hamburgiem. 7 czerwca 2016 / AP Photo / DPA / Monika Zucker
Pod koniec lat 90. amerykański badacz Kerry Emanuel przedstawił „szaloną” hipotezę, która nie znalazła odpowiedzi w kręgach naukowych. Zasugerował, że tarcie maleje, a wręcz przeciwnie, opór powierzchni oceanu maleje wraz ze wzrostem wiatru. Ale to nie może być?
Następnie, w 2003 roku, w czasopiśmie Nature ukazał się artykuł opisujący podobne zjawisko. Od późnych lat 90-tych Centrum Obserwacji Huraganu Amerykańskiej Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej regularnie prowadzi terenowe pomiary prędkości wiatru w cyklonach tropikalnych za pomocą spadających sond GPS. Na podstawie uogólnienia wyników tych pomiarów wykazano również, że współczynnik oporu powierzchni morza jest znacznie niższy od wartości uzyskanej poprzez ekstrapolację danych pomiarowych przy „normalnych” wiatrach.
Następnie w zrozumieniu tego problemu włączyli się pracownicy Zakładu Nieliniowych Procesów Geofizycznych Instytutu Fizyki Stosowanej Rosyjskiej Akademii Nauk z Niżnego Nowogrodu.
Instytut Fizyki Stosowanej RAS w Niżnym Nowogrodzie / Zdjęcie: domena publiczna
Film promocyjny:
„Nasz pomysł był prosty: powtórzmy te doświadczenia w laboratorium. Stwórzmy „kawałek” huraganu i zobaczmy, co stanie się z powierzchnią wody. Co więcej, jest gdzie!” - powiedziała Julia Troicka, doktor nauk fizycznych i matematycznych, kierownik Zakładu Nieliniowych Procesów Geofizycznych.
Wyjaśniła, że instytut posiada unikalną instalację, „Zespół wielkogabarytowych stanowisk geofizycznych”, w skład której wchodzi termostatowany basen z kanałem fal wiatrowych o dużej prędkości. Kompleks ten znajduje się w rejestrze instalacji o znaczeniu krajowym w Rosji.
USU "Kompleks wielkogabarytowych stanowisk geofizycznych" (KKGS) / Federalne Centrum Badawcze Instytut Fizyki Stosowanej Rosyjskiej Akademii Nauk
Eksperymenty nad modelowaniem huraganów przeprowadzone w Instytucie Fizyki Stosowanej w Niżnym Nowogrodzie przyniosły niesamowite rezultaty. Za pomocą szybkiej japońskiej kamery wideo z prędkością fotografowania do pół miliona klatek na sekundę można było zarejestrować procesy, które dały zrozumienie podstaw powstawania silnego wiatru podczas huraganu. Stało się jasne, że rzeczywiście następuje „wygładzenie” fal, co prowadzi do zmniejszenia tarcia i oporu. Można było udowodnić fakt, w który nie można było uwierzyć.
Powstawanie i odrywanie zrzutów podczas huraganów / Instytut Fizyki Stosowanej RAS (Niżny Nowogród)
Ponadto naukowcy zdali sobie sprawę, że efekt „wygładzania” nie jest nawet tak ważny dla powstawania silnych wiatrów w porównaniu z efektywnym mechanizmem rozpryskiwania.
Julia Troicka wyjaśnia: „Chcieliśmy wiedzieć: jak dokładnie odbywa się to„ wygładzanie”? Jak wiatr wieje z grzbietów? I nagle, w zwolnionym tempie, zobaczyliśmy pewien „żagiel”, nadmuchujący się w rodzaj bańki, która pęka, tworząc mnóstwo rozprysków. W badaniach związanych z fragmentacją cieczy takie „żagle” zostały już odkryte, gdyż naukowcy aktywnie badali mechanizm wtrysku ciekłego paliwa do silników spalinowych. W literaturze angielskiej efekt ten nazywany jest zerwaniem worka - „rozdartym workiem”. W naszej literaturze naukowej czasami nazywa się to fragmentacją typu „spadochronowego”.
Proces powstawania kropel w wiatrach huraganowych / Ilustracja RIA Novosti. A. Polyanina
Naukowcy policzyli krople i zdali sobie sprawę, że znaleziono najbardziej skuteczny mechanizm generowania rozprysków, co znacznie zmienia obraz występowania huraganów. Wcześniej uważano, że rozpryski powstają przy pękaniu pływających bąbelków, a ich ilość jest niewspółmiernie mniejsza. Okazało się, że jeśli przeliczymy wyniki eksperymentu laboratoryjnego w Niżnym Nowogrodzie dla warunków naturalnych, to powstanie tak silnych huraganów staje się bardziej zrozumiałe. Naukowcy zdali sobie sprawę, że jest to skuteczny mechanizm przepływu energii w wiatry huraganowe, więc wkrótce będzie można przewidzieć niszczycielską zdolność jednego lub drugiego huraganu.
Anna Urmantseva