Наука и технологии России

Вход Регистрация

Аркан для урагана

Летающие крыши, дубы корнями вверх, потоп в метро, миллионы домов без электричества и десятки смертей… Ураган «Сэнди» нанёс США чудовищный ущерб и даже едва не сорвал президентские выборы. На Восточном побережье за нового лидера нации голосовали во тьме, можно сказать, почти вслепую.

Ураган_Сэнди «Сэнди» нанёс ущерб в 50 млрд долларов

Предсказать воздушную бурю вовремя не вышло. Знания об атмосфере ещё неполны, а физические модели слишком несовершенны. Например, неясно: отчего ураганы, достигнув критической скорости в 35 м/с, уже не разгоняют, а выглаживают волны океана?

Ответ ищут в лаборатории физики планетарных пограничных слоёв Нижегородского государственного университета. Мы уже беседовали с её руководителем и победителем конкурса мегагрантов Сергеем Зилитинкевичем о зигзагах его научной карьеры и перипетиях земного климата. Теперь пришло время рассказать об экспериментальной составляющей проекта.

Враждебные вихри

«Сэнди» – типичный случай проникновения в умеренные широты урагана, возникшего в районе 20-й параллели. Подобные явления не редкость. В 2004 году один тропический циклон даже дошёл до Аляски.

Скорость урагана определяет разница температур тропосферы и океана. В тропосфере всегда около -70 оC, а океан тем холоднее, чем выше широты. Покинув тропики, где вода зачастую разогрета до +30 оC, ураганы теряют подпитку и постепенно стихают, но таят большие запасы энергии и в силах спровоцировать нешуточные шторма.

Внетропические проникновения ураганов портят погоду и в России – к примеру, вызывая ливни на Дальнем Востоке. А на севере нашей страны бушуют родственники тропических циклонов – полярные ураганы. Они развиваются динамичнее, но не так интенсивны: температура воды в Северном Ледовитом – всего несколько градусов, и разница с тропосферой меньше, чем на юге. Предел скорости тропического урагана – 60–70 м/с, полярного почти в два раза меньше – около 40 м/с. Так или иначе это серьёзное испытание для кораблей и буровых вышек, которых с освоением шельфа в Арктике будет всё больше.

Прогнозировать ураганы почти не умеют. Возникают они внезапно, их траектории малопредсказуемы. А главная загадка: как потоки воздуха разгоняются до таких чудовищных скоростей?

– Казалось бы – чем больше вихрь, тем выше волны. Но когда скорость ветра превышает 35 м/с, поверхность океана странным образом выглаживается, её сопротивление уменьшается – и ураган раскручивается до огромных скоростей, – рассказывает Юлия Троицкая, заведующая отделом нелинейных геофизических процессов Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде. – Это сродни эффекту кризиса сопротивления. Представьте себе шарик для настольного тенниса. Если его запустить с большой скоростью, он, разумеется, будет испытывать сопротивление воздуха. Но как только скорость становится выше некоторой предельной величины, сопротивление резко падает. Это достаточно хорошо изученное явление. Оно связано с характером обтекания шарика. С поверхностью океана при ураганах происходит нечто похожее. И мы поставили цель: выяснить причины подобного явления.

Справка STRF.ru:
Юлия Игоревна Троицкая – доктор физико-математических наук, заведующая отделом нелинейных геофизических процессов и лабораторией нелинейных волновых процессов ИПФ РАН, профессор Высшей школы общей и прикладной физики ННГУ.
Важнейшие научные результаты относятся к области теории взаимодействия волн со сдвиговыми потоками

Hurricane Hunters

Изучать ураганы вживую рискованно. Тем не менее есть немало горячих голов, готовых поиграть со стихией в кошки-мышки. В Национальном управлении океанических и атмосферных исследований США даже есть особое подразделение охотников за ураганами. Их угодья – север Атлантики и северо-восток Тихого океана. Лётчики направляются в «око» урагана, сбрасывают метеорологические зонды, измеряют скорость ветра и температуру.

Ураган_Исидор Ураган «Исидор»: вид из кабины лётчика, открывшего охоту

«Охотничье подразделение» появилось в 1945 году – после того, как ураган разметал американский конвой в Атлантическом океане. Кстати, первая служба погоды своим возникновением тоже обязана буре, погубившей французский флот около Балаклавы во время Крымской войны. Пока гром не грянет – мужик не перекрестится…

До начала космической эры самолёты были единственным средством слежения за ураганами. Потом появились метеорологические спутники Земли, но они до сих пор могут решить не все задачи. Например, не в силах определить внутреннее барометрическое давление ураганов, получить точные данные о скорости ветра. Тут на помощь и приходят «охотники за ураганами».

Фабрика бурь

– Сейчас мы просто включали ветер, а можно запустить и волнопродуктор! У нас тут настоящая кухня погоды! – силится перекричать шторм Даниил Сергеев, старший научный сотрудник ИПФ РАН.

Мы не на пляже, а в лаборатории физики планетарных пограничных слоёв, где за ураганами охотятся в четырёх стенах. Вернее, здесь их производят, в буквальном смысле пускают на поток.

Фабрика_бурь_в_Институте_прикладной_физики_РАН Фабрика бурь в Институте прикладной физики РАН

Взаимодействие ветров с океаном моделируют в большом бассейне. Его длина – 20 м, ширина – 4 м, глубина – 2 м. Ветер можно разогнать до 30–35 м/с, температуру воды варьировать от 4 оC до 25 оC. Установка лучше есть только в Токио, а в Майами параметры поскромнее нижегородских.

Сам бассейн был создан ещё 20 лет назад для моделирования подводных и поверхностных океанических течений, влияющих на погоду и фауну. Три года назад появился ветроволновой канал длиной 10 метров с площадью поперечного сечения 40 на 40 сантиметров. А недавно шторм решили заснять на видео. Волны несутся с огромной скоростью, так что физикам понадобилась камера с рекордно высокой частотой – до 7 тысяч кадров в секунду. Её приобрели в Японии.

Схема_съёмки_высокоростных_волн Схема съёмки высокоростных волн

Как выглядит эксперимент? В поток воды бросают маркеры – частицы полистирола. Они хорошо рассеивают свет и чётко видны в кадре, когда бассейн просвечивают «лазерным ножом». Замедленная съёмка скрупулёзно фиксирует, как мельчайшие капли и брызги покидают воду, летят по ветру и падают обратно, влияя на динамику волны. Как говорят учёные, такая среда обладает сложной реологией – от греческого ρέος: «течение, поток».

Альтернатива высокочастотной съёмке – фазовая лазерная допплеровская анемометрия, когда капли двигаются на пересечении двух лазерных пучков. Однако приборы для таких измерений стоят дорого, данные требуют дополнительной расшифровки. Камера же позволяет увидеть все процессы наглядно. А последовательность полей скорости и другие параметры по видеосъёмке можно восстановить с помощью специального программного обеспечения.


Скорость съёмки 500 кадров в секунду, скорость воспроизведения 30 кадров в секунду.
Видео замедлено в 17 раз. Скорость ветра 14 м/с.
Высота области съёмки 25 см, размер пикселя 0,194 мм/px

В итоге за год удалось приблизиться к ответу на вопрос, отчего раскручиваются ураганы.

– Механизм выравнивания поверхности океана оказался очень прост, – комментирует Юлия Троицкая. – Когда ветер умеренный, волны растут и постепенно обрушаются. Чем больше ветер – тем выше волны, тем больше сопротивление поверхности. А что при ураганном ветре? Он сглаживает вершины волн, как утюг. Мы увидели это воочию на видео и зафиксировали с помощью струнных волнографов, как с ростом скорости ветра меняется высота волны, её уклон и крутизна.

Потоки импульса, тепла и энергии между океаном и атмосферой определяют граничные условия, дополняющие уравнения динамики урагана. Так что изыскания лаборатории планетарных пограничных слоёв носят не только теоретический характер. Они позволят лучше понимать и предсказывать капризы стихии.

РЕЙТИНГ

4.00
голосов: 4

Галереи

Геленджик через сутки после наводнения 8 июля

По стечению обстоятельств несколько студентов географического факультета МГУ оказались свидетелями водной стихии на юге России. Они уехали на практику в Геленджик, чтобы делать штатные замеры параметров воды, но теперь вынуждены собирать информацию о наводнении и его последствиях. Фото Андрея Недоспасова

16 фото

Обсуждение