Förutsäga orkaner, varna för jordbävningar, kontrollera globala atmosfärfenomen - detta är drömmen om modern vetenskap, som studerar de komplexa orsaker som ligger bakom en händelse. Orkanvind är ett av forskningsområdena i atmosfärisk fysik, som har framgångsrikt förutsagt banorna för virvlar i många år, men fortfarande inte kan förutsäga deras styrka och därför omfattningen av möjlig förstörelse.
I 20 år nu har forskningen svävat kring "orkanekvationen", som härrör från vår förståelse av mekanismen för dess bildning. Låt oss säga att en orkan bildas över havet. Detta berodde på den konvektiva ökningen av varm och fuktig luft, kondens av vattenånga med frisättning av latent förångningsvärme. Men om vi ställer in nödvändiga siffror istället för variabler får vi inte på något sätt en så hög vindhastighet som kan observeras i verkligheten.
Det är välkänt att ju mer vind desto fler vågor på vattenytan. Vågor är en naturlig”grovhet” som skapar friktionskraften mellan vinden och ytan. Om vi tar hänsyn till balansen mellan tillförseln av energi och dess absorption på grund av friktion, visar det sig att ju starkare vinden är, desto större blir denna absorption. Det vill säga vågorna ska "släcka" vinden, men i verkligheten händer det inte.
Virvelvind över Hamburg. 7 juni 2016 / AP Photo / DPA / Monika Zucker
I slutet av 90-talet lade den amerikanska forskaren Kerry Emanuel fram en "galen" hypotes som inte hittade något svar i vetenskapliga kretsar. Han föreslog att friktionen minskar och motståndet från havsytan tvärtom minskar med ökande vind. Men detta kan inte vara?
År 2003 publicerades en artikel i tidskriften Nature som beskriver ett liknande fenomen. Sedan slutet av 1990-talet har US National Oceanic and Atmospheric Administration's Hurricane Observing Center regelbundet genomfört fältmätningar av vindhastighet i tropiska cykloner med hjälp av fallande GPS-sonder. Baserat på generaliseringen av resultaten av dessa mätningar visades det också att motståndskoefficienten för havsytan är signifikant lägre än det värde som erhålls genom extrapolering av mätdata under "normala" vindar.
Då anställda vid Institutionen för icke-linjära geofysiska processer vid Institutet för tillämpad fysik vid den ryska vetenskapsakademin från Nizjnij Novgorod gick med i förståelsen av detta problem.
Institute of Applied Physics RAS i Nizhny Novgorod / Foto: Public domain
Kampanjvideo:
”Vår idé var enkel: låt oss upprepa dessa experiment i laboratoriet. Låt oss skapa en "skiva" av orkanen och se vad som händer med vattenytan. Dessutom finns det där! " - sa Yulia Troitskaya, doktor i fysiska och matematiska vetenskaper, chef för avdelningen för icke-linjära geofysiska processer.
Hon förklarade att institutet har en unik installation, "Komplexet av storskaliga geofysiska stativ", som inkluderar ett termostatiserat bassäng med en höghastighets vindvågskanal. Detta komplex ingår i registret över installationer av nationell betydelse i Ryssland.
USU "Complex of large-scale geophysical stands" (KKGS) / Federal Research Center Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences
Experiment med orkanmodellering vid Nizhny Novgorod Institute of Applied Physics har gett fantastiska resultat. Med hjälp av en höghastighets japansk videokamera med en fotograferingshastighet på upp till en halv miljon bilder per sekund var det möjligt att spela in de processer som gav en förståelse för grunderna för bildandet av en stark vind under en orkan. Det blev klart att det verkligen finns en "utjämning" av vågorna, vilket leder till en minskning av friktion och motstånd. Det var möjligt att bevisa ett faktum som var omöjligt att tro.
Bildande och avskiljning av droppar under orkanvindar / Institute of Applied Physics RAS (Nizhny Novgorod)
Dessutom insåg forskarna att "utjämningseffekten" inte ens är så viktig för bildandet av starka vindar jämfört med den effektiva mekanismen för stänk.
Yulia Troitskaya förklarar:”Vi var intresserade av att veta: hur exakt sker denna” utjämning”? Hur blåser vinden av åsarna? Och plötsligt, i slow motion, såg vi ett visst "segel", som blåser upp i en slags bubbla, som spricker och bildar många stänk. I studier relaterade till flytande fragmentering har sådana "segel" redan upptäckts, eftersom forskare aktivt studerade mekanismen för flytande bränsleinsprutning i förbränningsmotorer. I engelsk litteratur kallas denna effekt en påsupplösning - "trasig påse". I vår vetenskapliga litteratur kallas det ibland fragmentering av fallskärmstyp.
Processen med bildande av droppar i orkanvindar / Illustration av RIA Novosti. A. Polyanina
Forskare räknade dropparna och insåg att den mest effektiva mekanismen för att generera stänk hittades, vilket i hög grad förändrar bilden av orkaner. Tidigare trodde man att stänk bildades vid bristning av flytande bubblor och att deras mängd är obetydligt mindre. Det visade sig att om vi beräknar om resultaten av laboratorieexperimentet i Nizhny Novgorod för naturliga förhållanden, blir bildningen av sådana starka orkanvindar mer förståelig. Forskare har insett att det är en effektiv mekanism för energiflödet till en orkan, så det kommer snart att vara möjligt att förutsäga orkanens destruktiva förmåga.
Anna Urmantseva
