Forudsigelse af orkaner, advarsler om jordskælv, kontrol af globale atmosfæriske fænomener - dette er drømmen om moderne videnskab, der studerer de komplekser af årsager, der ligger til grund for denne eller den anden begivenhed. Orkanvind er et af forskningsområderne i atmosfærisk fysik, som har forudsagt ret vellykket baner i hvirvler i mange år, men stadig ikke kan forudsige deres styrke og derfor omfanget af mulig ødelæggelse.
I 20 år har forskningen svævet omkring "orkanligningen", som stammer fra vores forståelse af mekanismen for dens dannelse. Lad os sige, at der dannes en orkan over havet. Dette skyldtes den konvektive stigning af varm og fugtig luft, kondens af vanddamp med frigivelse af latent fordampningsvarme. Men hvis vi indstiller de nødvendige tal i stedet for variabler, får vi på ingen måde en så høj vindhastighed, der kan observeres i virkeligheden.
Det er velkendt, at jo mere vind, jo flere bølger på vandoverfladen. Bølger er en naturlig "ruhed", der skaber friktionskraften mellem vinden og overfladen. Hvis vi overvejer balancen mellem energiinput og dets absorption på grund af friktion, viser det sig, at jo stærkere vinden er, desto større vil denne absorption være. Det vil sige, bølgerne skal "slukke" vinden, men i virkeligheden sker dette ikke.
Virvelvind over Hamborg. 7. juni 2016 / AP Photo / DPA / Monika Zucker
I slutningen af 90'erne fremsatte den amerikanske forsker Kerry Emanuel en "skør" hypotese, der ikke fandt noget svar i videnskabelige kredse. Han foreslog, at friktionen aftager, og modstanden på havoverfladen tværtimod falder med stigende vind. Men dette kan ikke være?
Derefter blev der i 2003 offentliggjort en artikel i tidsskriftet Nature, der beskriver et lignende fænomen. Siden slutningen af 1990'erne har US National Oceanic and Atmospheric Administration's Hurricane Observing Center regelmæssigt gennemført feltmålinger af vindhastighed i tropiske cykloner ved hjælp af faldende GPS-sonder. Baseret på generaliseringen af resultaterne af disse målinger blev det også vist, at modstandskoefficienten for havoverfladen er signifikant lavere end den værdi, der opnås ved ekstrapolering af måledataene under "normale" vinde.
Derefter sluttede medarbejderne ved Afdelingen for ikke-lineære geofysiske processer ved Institut for Anvendt Fysik fra det Russiske Videnskabsakademi fra Nizhny Novgorod sig til forståelsen af dette problem.
Institute of Applied Physics RAS i Nizhny Novgorod / Foto: Public domain
Salgsfremmende video:
”Vores idé var enkel: lad os gentage disse eksperimenter i laboratoriet. Lad os oprette en "skive" af orkanen og se, hvad der sker med vandoverfladen. Desuden er der hvor! " - sagde Yulia Troitskaya, doktor i fysiske og matematiske videnskaber, leder af afdelingen for ikke-lineære geofysiske processer.
Hun forklarede, at instituttet har en unik installation, "Komplekset af store geofysiske stativer", som inkluderer et termostateret bassin med en højhastigheds vindbølgekanal. Dette kompleks er inkluderet i registeret over installationer af national betydning i Rusland.
USU "Kompleks af store geofysiske stativer" (KKGS) / Federal Research Center Institute of Applied Physics fra det russiske videnskabsakademi
Eksperimenter med orkanmodellering udført på Nizhny Novgorod Institute of Applied Physics har givet fantastiske resultater. Ved hjælp af et højhastigheds japansk videokamera med en skydehastighed på op til en halv million billeder i sekundet var det muligt at registrere de processer, der gav en forståelse af det grundlæggende i dannelsen af en stærk vind under en orkan. Det blev klart, at der faktisk er en "udjævning" af bølgerne, hvilket fører til et fald i friktion og modstand. Det var muligt at bevise, at det var umuligt at tro.
Dannelse og frigørelse af dråber under orkanvind / Institute of Applied Physics RAS (Nizhny Novgorod)
Derudover indså forskerne, at "udjævningseffekten" ikke engang er så vigtig for dannelsen af stærke vinde sammenlignet med den effektive sprøjtemekanisme.
Yulia Troitskaya forklarer:”Vi var interesserede i at vide: hvordan sker denne 'udjævning' nøjagtigt? Hvordan blæser vinden af højderygge? Og pludselig i slowmotion så vi et bestemt "sejl", der pustede op i en slags boble, der sprængte og dannede en masse stænk. I undersøgelser relateret til flydende fragmentering er sådanne "sejl" allerede blevet opdaget, da forskere aktivt studerede mekanismen til injektion af flydende brændstof i forbrændingsmotorer. I engelsk litteratur kaldes denne effekt en posesammenbrud - "revet taske". I vores videnskabelige litteratur kaldes det undertiden fragmentering af "faldskærmstype".
Processen med dannelse af dråber i orkanvind / Illustration af RIA Novosti. A. Polyanina
Forskere tællede dråberne og indså, at den mest effektive mekanisme til generering af stænk blev fundet, hvilket i høj grad ændrer billedet af forekomsten af orkaner. Tidligere blev det antaget, at stænk dannes ved brud på flydende bobler, og deres mængde er usædvanligt mindre. Det viste sig, at hvis vi genberegner resultaterne af Nizhny Novgorod-laboratorieeksperimentet for naturlige forhold, bliver dannelsen af så stærke orkanvind mere forståelig. Forskere har indset, at det er en effektiv mekanisme til at strømme energi ind i en orkanvind, så det vil snart være muligt at forudsige en orkanens destruktive kapacitet.
Anna Urmantseva
