Тайна урагана: что служит "топливом" для образования сверхсильного ветра
Предсказывать ураганы, предупреждать о землетрясениях, контролировать глобальные атмосферные явления - вот мечта современной науки, которая изучает комплексы причин, лежащие в основе того или иного события. Ураганный ветер - одно из направлений исследований физики атмосферы, которая вполне успешно много лет предсказывает траектории движения вихрей, однако до сих пор не может спрогнозировать их силу, а значит, и масштаб возможных разрушений.
Вот уже 20 лет исследования буксуют вокруг "уравнения урагана", которое выводится из нашего понимания механизма его образования. Допустим, ураган сформировался над океаном. Это произошло из-за конвективного подъема теплого и влажного воздуха, конденсации водяных паров с выделением скрытой теплоты парообразования. Но если мы задаем нужные цифры вместо переменных, у нас никак не получается такой большой скорости ветра, которую можно наблюдать в действительности.
Хорошо известно, что чем больше ветер, тем больше волны на поверхности воды. Волны - это естественная "шероховатость", которая создает силу трения ветра о поверхность. Если рассматривать баланс между поступлением энергии и ее поглощением за счет трения, то получается, что чем сильнее ветер, тем масштабнее будет это поглощение. То есть волны должны "гасить" ветер, но в действительности этого не происходит.
В конце 90-х годов американский исследователь Керри Эмануель высказал "сумасшедшую" гипотезу, которая не нашла никакого отклика в научных кругах. Он предположил, что трение снижается, и сопротивление поверхности океана, наоборот, падает при усилении ветра. Но этого же не может быть?
Потом, в 2003 году, в журнале Nature вышла статья, описывающая подобное явление. С конца 90-х годов Центр наблюдений за ураганами Национальной атмосферной океанской администрации США регулярно проводит натурные измерения скорости ветра внутри тропических циклонов с помощью падающих GPS-зондов. На основе обобщения результатов этих измерений также показывалось, что коэффициент сопротивления морской поверхности значительно ниже величины, получаемой экстраполяцией данных измерений при "обычных" ветрах.
Тогда в осмысление этой проблемы включились сотрудники Отдела нелинейных геофизических процессов Института прикладной физики РАН из Нижнего Новгорода.
"Наша идея была простой: давайте повторим эти эксперименты в лаборатории, - рассказывает доктор физико-математических наук, заведующая Отделом нелинейных геофизических процессов Юлия Троицкая. - Давайте создадим "кусочек" урагана и посмотрим, что происходит с водной поверхностью. Тем более есть где! В нашем институте находится уникальная установка, "Комплекс крупномасштабных геофизических стендов" (включенный в Реестр установок национальной значимости РФ №01-18), в состав которой входит термостратифицированный бассейн с высокоскоростным ветроволновым каналом".
Эксперименты по моделированию урагана, проведенные в нижегородском Институте прикладной физики, дали удивительные результаты. В рамках мегагранта "Современная теория и дистанционная диагностика атмосферной турбулентности, планетарных пограничных слоев (ППС) и взаимодействия атмосферы и океана применительно к физическим, химическим и электромагнитным явлениям в ППС (погоде и микроклимату)" С. С. Зилинкевича была куплена высокоскоростная японская видеокамера со скоростью съемки до полумиллиона кадров в секунду. С помощью этой камеры удалось зафиксировать процессы, которые дали понимание основ формирования сильного ветра при урагане. Стало ясно, что действительно происходит "сглаживание" волн, которое приводит к уменьшению трения и сопротивления. Удалось доказать тот факт, в который невозможно было поверить.
Кроме того, ученые поняли, что эффект "сглаживания" даже не так важен для образования сильного ветра по сравнению с эффективным механизмом образования брызг.
Поясняет Юлия Троицкая: "Нам было интересно узнать: как именно происходит это "сглаживание"? Как ветер сдувает гребни? И вдруг на замедленной съемке мы увидели некий "парус", раздувающийся в этакий пузырь, который лопается, образуя множество брызг. В исследованиях, связанных с фрагментацией жидкости, подобные "паруса" уже были открыты, так как ученые активно изучали механизм жидкого впрыска топлива в двигатели внутреннего сгорания. В англоязычной литературе этот эффект называется bag breakup - "разорванный мешок". В нашей научной литературе его иногда называют фрагментацией "типа парашют".
Ученые пересчитали капли и поняли, что найден самый эффективный механизм генерации брызг, который сильно меняет картину возникновения ураганов. Раньше считалось, что брызги образуются при разрыве всплывающих пузырьков и их количество несоизмеримо меньше. Оказалось, что если пересчитать на натурные условия результаты нижегородского лабораторного эксперимента, то становится более понятным образование таких сильных ураганных ветров. Ученые поняли, что является эффективным механизмом поступления энергии в ураганный ветер, поэтому скоро будет возможно прогнозировать разрушительную способность того или иного урагана.
