Hurrikane vorhersagen, vor Erdbeben warnen, globale atmosphärische Phänomene kontrollieren - das ist der Traum der modernen Wissenschaft, die die Komplexe der Ursachen untersucht, die einem Ereignis zugrunde liegen. Hurrikanwind ist eines der Forschungsgebiete in der Physik der Atmosphäre, das die Flugbahnen von Wirbeln seit vielen Jahren recht erfolgreich vorhersagt, ihre Stärke und damit das Ausmaß möglicher Zerstörung jedoch immer noch nicht vorhersagen kann.
In den letzten 20 Jahren hat sich die Forschung um die "Hurrikangleichung" gedreht, die sich aus unserem Verständnis des Mechanismus ihrer Entstehung ergibt. Nehmen wir an, über dem Ozean bildet sich ein Hurrikan. Dies war auf den konvektiven Anstieg von warmer und feuchter Luft, die Kondensation von Wasserdampf unter Freisetzung latenter Verdampfungswärme zurückzuführen. Wenn wir jedoch die erforderlichen Zahlen anstelle von Variablen festlegen, erhalten wir in keiner Weise eine so hohe Windgeschwindigkeit, wie sie in der Realität beobachtet werden kann.
Es ist bekannt, dass je mehr Wind, desto mehr Wellen auf der Wasseroberfläche. Wellen sind eine natürliche "Rauheit", die die Reibungskraft zwischen Wind und Oberfläche erzeugt. Wenn wir das Gleichgewicht zwischen dem Energieeintrag und seiner Absorption aufgrund von Reibung betrachten, stellt sich heraus, dass diese Absorption umso größer ist, je stärker der Wind ist. Das heißt, die Wellen sollten den Wind "löschen", aber in Wirklichkeit passiert dies nicht.
Wirbelwind über Hamburg. 7. Juni 2016 / AP Photo / DPA / Monika Zucker
In den späten 90er Jahren stellte der amerikanische Forscher Kerry Emanuel eine "verrückte" Hypothese auf, die in wissenschaftlichen Kreisen keine Antwort fand. Er schlug vor, dass die Reibung abnimmt und der Widerstand der Meeresoberfläche im Gegenteil mit zunehmendem Wind abnimmt. Das kann aber nicht sein?
2003 wurde in der Zeitschrift Nature ein Artikel veröffentlicht, der ein ähnliches Phänomen beschreibt. Seit den späten 1990er Jahren führt das Hurricane Observing Center der US National Oceanic and Atmospheric Administration regelmäßig Feldmessungen der Windgeschwindigkeit in tropischen Wirbelstürmen mit fallenden GPS-Sonden durch. Basierend auf der Verallgemeinerung der Ergebnisse dieser Messungen wurde auch gezeigt, dass der Widerstandskoeffizient der Meeresoberfläche signifikant niedriger ist als der Wert, der durch Extrapolation der Messdaten unter "normalen" Winden erhalten wird.
Dann haben sich die Mitarbeiter der Abteilung für nichtlineare geophysikalische Prozesse des Instituts für Angewandte Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften aus Nischni Nowgorod dem Verständnis dieses Problems angeschlossen.
Institut für Angewandte Physik RAS in Nischni Nowgorod / Foto: Public Domain
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„Unsere Idee war einfach: Wiederholen wir diese Experimente im Labor. Lassen Sie uns eine "Scheibe" des Hurrikans erstellen und sehen, was mit der Wasseroberfläche passiert. Außerdem gibt es wo! " - sagte Yulia Troitskaya, Doktorin der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften, Leiterin der Abteilung für nichtlineare geophysikalische Prozesse.
Sie erklärte, dass das Institut über eine einzigartige Installation verfügt, den "Komplex großflächiger geophysikalischer Bestände", der ein thermostratifiziertes Becken mit einem Hochgeschwindigkeits-Windwellenkanal umfasst. Dieser Komplex ist im Register der Anlagen von nationaler Bedeutung in Russland enthalten.
USU "Komplex großer geophysikalischer Bestände" (KKGS) / Bundesforschungszentrum Institut für Angewandte Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften
Experimente zur Hurrikanmodellierung, die am Institut für Angewandte Physik in Nischni Nowgorod durchgeführt wurden, haben zu erstaunlichen Ergebnissen geführt. Mit Hilfe einer japanischen Hochgeschwindigkeits-Videokamera mit einer Aufnahmegeschwindigkeit von bis zu einer halben Million Bildern pro Sekunde konnten die Prozesse aufgezeichnet werden, die ein Verständnis für die Grundlagen der Bildung eines starken Windes während eines Hurrikans ermöglichten. Es wurde deutlich, dass es tatsächlich zu einer "Glättung" der Wellen kommt, was zu einer Abnahme der Reibung und des Widerstands führt. Es war möglich, eine Tatsache zu beweisen, die unmöglich zu glauben war.
Bildung und Ablösung von Tropfen bei Hurrikanwinden / Institut für Angewandte Physik RAS (Nischni Nowgorod)
Darüber hinaus stellten die Wissenschaftler fest, dass der "Glättungseffekt" im Vergleich zum effektiven Spritzmechanismus nicht einmal so wichtig für die Bildung starker Winde ist.
Yulia Troitskaya erklärt: „Wir waren interessiert zu wissen: Wie genau geschieht diese‚ Glättung '? Wie weht der Wind von den Kämmen? Und plötzlich sahen wir in Zeitlupe ein bestimmtes "Segel", das sich in eine Art Blase aufblies, die platzte und viele Spritzer bildete. In Studien zur Flüssigkeitsfragmentierung wurden solche „Segel“bereits entdeckt, als Wissenschaftler den Mechanismus der Einspritzung von Flüssigbrennstoff in Verbrennungsmotoren aktiv untersuchten. In der englischen Literatur wird dieser Effekt als Aufbrechen des Beutels bezeichnet - "zerrissener Beutel". In unserer wissenschaftlichen Literatur wird es manchmal als "Fallschirmtyp" -Fragmentierung bezeichnet.
Der Prozess der Tropfenbildung bei Hurrikanwinden / Abbildung RIA Novosti. A. Polyanina
Wissenschaftler zählten die Tröpfchen und stellten fest, dass der effizienteste Mechanismus zur Erzeugung von Spritzern gefunden wurde, der das Bild des Auftretens von Hurrikanen stark verändert. Früher wurde angenommen, dass beim Aufbrechen schwimmender Blasen Spritzer entstehen und ihre Menge nicht wesentlich geringer ist. Es stellte sich heraus, dass die Bildung derart starker Hurrikanwinde verständlicher wird, wenn wir die Ergebnisse des Laborexperiments von Nischni Nowgorod für natürliche Bedingungen neu berechnen. Wissenschaftler haben erkannt, dass es sich um einen wirksamen Mechanismus für den Energiefluss in Hurrikanwinde handelt, sodass es bald möglich sein wird, die Zerstörungskapazität des einen oder anderen Hurrikans vorherzusagen.
Anna Urmantseva
