Предсказване на урагани, предупреждение за земетресения, контрол на глобалните атмосферни явления - това е мечтата на съвременната наука, която изучава комплексите от причини, залегнали в основата на дадено събитие. Ураганният вятър е една от областите на изследванията в атмосферната физика, която доста успешно предсказва траекториите на вихрите в продължение на много години, но все още не може да предскаже тяхната сила и следователно мащаба на възможното унищожаване.
През последните 20 години изследванията се движат около уравнението на ураганите, което се извлича от нашето разбиране за механизма на неговото формиране. Да приемем, че над океана се образува ураган. Това се дължи на конвективното издигане на топъл и влажен въздух, кондензация на водни пари с отделяне на латентна топлина на изпаряване. Но ако зададем необходимите числа вместо променливи, по никакъв начин не получаваме толкова висока скорост на вятъра, която може да се наблюдава в действителност.
Добре известно е, че колкото повече вятър, толкова повече вълни на водната повърхност. Вълните са естествена „грапавост“, която създава силата на триене между вятъра и повърхността. Ако разгледаме баланса между вложената енергия и нейното усвояване поради триене, се оказва, че колкото по-силен е вятърът, толкова по-голямо ще бъде това поглъщане. Тоест вълните трябва да „гасят“вятъра, но в действителност това не се случва.
Вихър над Хамбург. 7 юни 2016 г. / AP Photo / DPA / Monika Zucker
В края на 90-те години американският изследовател Кери Емануел изложи „луда“хипотеза, която не намери никакъв отговор в научните среди. Той предположи, че триенето намалява, а съпротивлението на океанската повърхност, напротив, намалява с увеличаване на вятъра. Но това не може да бъде?
След това, през 2003 г., в списание Nature е публикувана статия, описваща подобно явление. От края на 90-те години Центърът за наблюдение на ураганите на Националната администрация за океана и атмосферата редовно провежда полеви измервания на скоростта на вятъра в тропическите циклони, използвайки падащи GPS сонди. Въз основа на обобщаването на резултатите от тези измервания беше показано също, че коефициентът на съпротивление на морската повърхност е значително по-нисък от стойността, получена чрез екстраполиране на данните от измерванията при "нормални" ветрове.
Тогава служителите на Отдела за нелинейни геофизични процеси на Института по приложна физика на Руската академия на науките от Нижни Новгород се включиха в разбирането на този проблем.
Институт по приложна физика RAS в Нижни Новгород / Снимка: Обществено достояние
Промоционално видео:
„Идеята ни беше проста: нека повторим тези експерименти в лабораторията. Нека създадем „парче“от урагана и да видим какво се случва с водната повърхност. Освен това има къде! - каза Юлия Троицкая, доктор на физико-математическите науки, ръководител на катедрата по нелинейни геофизични процеси.
Тя обясни, че институтът разполага с уникална инсталация „Комплекс от мащабни геофизични насаждения“, която включва термостратиран басейн с високоскоростен канал на вятърни вълни. Този комплекс е включен в регистъра на инсталациите с национално значение в Русия.
USU "Комплекс от мащабни геофизични насаждения" (KKGS) / Федерален изследователски център Институт по приложна физика на Руската академия на науките
Експериментите за моделиране на урагани, проведени в Института за приложна физика в Нижни Новгород, са довели до невероятни резултати. С помощта на високоскоростна японска видеокамера със скорост на снимане до половин милион кадъра в секунда беше възможно да се запишат процесите, които дадоха разбиране за основите на образуването на силен вятър по време на ураган. Стана ясно, че наистина има „изглаждане“на вълните, което води до намаляване на триенето и съпротивлението. Беше възможно да се докаже факт, в който беше невъзможно да се повярва.
Образуване и отделяне на капки по време на ураганни ветрове / Институт по приложна физика RAS (Нижни Новгород)
Освен това учените осъзнаха, че ефектът „изглаждане“дори не е толкова важен за образуването на силни ветрове в сравнение с ефективния механизъм на разплискване.
Юлия Троицкая обяснява: „На нас ни беше интересно да знаем: как точно се случва това„ изглаждане “? Как вятърът духа от билата? И изведнъж, в забавен каданс, видяхме някакво „платно“, раздуващо се в един вид балон, който се пръсва, образувайки много пръски. В проучвания, свързани с фрагментация на течности, такива „платна“вече са открити, тъй като учените активно изучават механизма на впръскване на течно гориво в двигатели с вътрешно горене. В английската литература този ефект се нарича разкъсване на чанта - „разкъсана чанта“. В нашата научна литература понякога се нарича фрагментация от „парашутен тип“.
Процесът на образуване на капки при ураганни ветрове / Илюстрация РИА Новости. А. Полянина
Учените преброили капчиците и разбрали, че е намерен най-ефективният механизъм за генериране на пръски, което значително променя картината на появата на урагани. Преди се смяташе, че пръски се образуват при разкъсването на плаващи мехурчета и количеството им е несъизмеримо по-малко. Оказа се, че ако преизчислим резултатите от лабораторния експеримент в Нижни Новгород за полеви условия, тогава образуването на такива силни ураганни ветрове става по-ясно. Учените са разбрали, че това е ефективен механизъм за притока на енергия в ураганни ветрове, така че скоро ще бъде възможно да се предскаже разрушителната способност на един или друг ураган.
Анна Урманцева
