Orkanen voorspellen, waarschuwen voor aardbevingen, mondiale atmosferische verschijnselen beheersen - dit is de droom van de moderne wetenschap, die de complexen van oorzaken die aan een gebeurtenis ten grondslag liggen, bestudeert. Orkaanwind is een van de onderzoeksgebieden in de atmosferische fysica, die de trajecten van wervelingen al vele jaren met succes voorspelt, maar nog steeds niet kan voorspellen hoe sterk ze zijn, en dus de schaal van mogelijke vernietiging.
Al 20 jaar zweeft onderzoek rond de "orkaanvergelijking", die is afgeleid van ons begrip van het mechanisme van zijn vorming. Laten we zeggen dat zich een orkaan vormt boven de oceaan. Dit was te wijten aan de convectieve stijging van warme en vochtige lucht, condensatie van waterdamp met het vrijkomen van latente verdampingswarmte. Maar als we de benodigde getallen instellen in plaats van variabelen, krijgen we op geen enkele manier zo'n hoge windsnelheid die in werkelijkheid kan worden waargenomen.
Het is bekend dat hoe meer wind, hoe meer golven er op het wateroppervlak komen. Golven zijn een natuurlijke "ruwheid" die de wrijvingskracht tussen de wind en het oppervlak veroorzaakt. Als we kijken naar de balans tussen de input van energie en de absorptie ervan door wrijving, dan blijkt dat hoe sterker de wind, hoe groter deze absorptie zal zijn. Dat wil zeggen, de golven zouden de wind moeten "doven", maar in werkelijkheid gebeurt dit niet.
Wervelwind boven Hamburg. 7 juni 2016 / AP Photo / DPA / Monika Zucker
Eind jaren negentig kwam de Amerikaanse onderzoeker Kerry Emanuel met een 'gekke' hypothese die in wetenschappelijke kringen geen antwoord vond. Hij suggereerde dat wrijving afneemt en de weerstand van het oceaanoppervlak daarentegen afneemt met toenemende wind. Maar dit kan niet zijn?
Toen, in 2003, werd een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature waarin een soortgelijk fenomeen werd beschreven. Sinds het einde van de jaren negentig voert het orkaanobservatiecentrum van de Amerikaanse National Oceanic and Atmospheric Administration regelmatig veldmetingen uit van de windsnelheid in tropische cyclonen met behulp van vallende GPS-sondes. Op basis van de generalisatie van de resultaten van deze metingen werd ook aangetoond dat de weerstandscoëfficiënt van het zeeoppervlak significant lager is dan de waarde die verkregen wordt door de meetgegevens te extrapoleren bij "normale" wind.
Toen sloten de medewerkers van de afdeling Niet-lineaire Geofysische Processen van het Instituut voor Toegepaste Fysica van de Russische Academie van Wetenschappen uit Nizhny Novgorod zich bij het begrijpen van dit probleem.
Instituut voor Toegepaste Fysica RAS in Nizhny Novgorod / Foto: publiek domein
Promotie video:
“Ons idee was simpel: laten we deze experimenten herhalen in het laboratorium. Laten we een "plakje" van de orkaan maken en kijken wat er met het wateroppervlak gebeurt. Bovendien is er waar! " - zei Yulia Troitskaya, doctor in de fysische en wiskundige wetenschappen, hoofd van de afdeling niet-lineaire geofysische processen.
Ze legde uit dat het instituut een unieke installatie heeft, het "Complex van grootschalige geofysische stands", waaronder een gethermostatiseerd bassin met een supersnel windgolfkanaal. Dit complex is opgenomen in het register van installaties van nationaal belang in Rusland.
USU "Complex van grootschalige geofysische stands" (KKGS) / Federal Research Center Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences
Experimenten met orkaanmodellering uitgevoerd bij het Nizhny Novgorod Institute of Applied Physics hebben verbluffende resultaten opgeleverd. Met behulp van een snelle Japanse videocamera met een opnamesnelheid tot een half miljoen frames per seconde was het mogelijk om de processen vast te leggen die inzicht gaven in de basisprincipes van de vorming van een sterke wind tijdens een orkaan. Het werd duidelijk dat er inderdaad sprake is van een "afvlakking" van de golven, wat leidt tot een afname van wrijving en weerstand. Het was mogelijk om een feit te bewijzen dat onmogelijk te geloven was.
Vorming en scheiding van druppels tijdens orkaanwinden / Institute of Applied Physics RAS (Nizhny Novgorod)
Bovendien realiseerden de wetenschappers zich dat het "gladmakende" effect niet eens zo belangrijk is voor de vorming van harde wind in vergelijking met het effectieve mechanisme van spatten.
Yulia Troitskaya legt uit: “We wilden graag weten: hoe verloopt deze 'afvlakking' precies? Hoe blaast de wind van de ruggen? En plotseling, in slow motion, zagen we een bepaald "zeil", opgeblazen tot een soort luchtbel, die barstte en veel spatten vormde. In studies met betrekking tot vloeistoffragmentatie zijn dergelijke "zeilen" al ontdekt, aangezien wetenschappers actief het mechanisme van vloeibare brandstofinjectie in interne verbrandingsmotoren hebben bestudeerd. In de Engelse literatuur wordt dit effect een zakverbreking genoemd - "gescheurde zak". In onze wetenschappelijke literatuur wordt het soms fragmentatie van het "parachutetype" genoemd.
Het proces van druppelvorming in orkaanwinden / Illustratie door RIA Novosti. A. Polyanina
Wetenschappers telden de druppels en realiseerden zich dat het meest efficiënte mechanisme voor het genereren van spatten was gevonden, wat het beeld van het optreden van orkanen enorm verandert. Eerder werd aangenomen dat spatten worden gevormd bij het breken van zwevende bellen en dat hun hoeveelheid onvergelijkbaar minder is. Het bleek dat als we de resultaten van het laboratoriumexperiment van Nizhny Novgorod herberekenen voor natuurlijke omstandigheden, de vorming van zulke sterke orkaanwinden begrijpelijker wordt. Wetenschappers hebben zich gerealiseerd dat het een effectief mechanisme is voor de stroom van energie in orkaanwinden, dus het zal binnenkort mogelijk zijn om het vernietigende vermogen van een of andere orkaan te voorspellen.
Anna Urmantseva
