Předpovídat hurikány, varovat před zemětřeseními, ovládat globální atmosférické jevy - to je sen moderní vědy, která studuje komplexy příčin události. Hurikánový vítr je jednou z oblastí výzkumu fyziky atmosféry, která již mnoho let docela úspěšně předpovídá trajektorie vírů, ale stále nedokáže předpovědět jejich sílu, a tedy rozsah možného zničení.
Již 20 let se výzkum pohybuje kolem „hurikánové rovnice“, která je odvozena z našeho chápání mechanismu jejího vzniku. Řekněme, že se nad oceánem vytvoří hurikán. To bylo způsobeno konvekčním vzestupem teplého a vlhkého vzduchu, kondenzací vodní páry s uvolňováním latentního výparného tepla. Pokud ale místo proměnných nastavíme potřebná čísla, v žádném případě nedosáhneme takové vysoké rychlosti větru, kterou lze ve skutečnosti pozorovat.
Je dobře známo, že čím více větru, tím více vln na vodní hladině. Vlny jsou přirozenou „drsností“, která vytváří sílu tření mezi větrem a povrchem. Pokud vezmeme v úvahu rovnováhu mezi vstupem energie a její absorpcí v důsledku tření, pak se ukáže, že čím silnější je vítr, tím větší bude tato absorpce. To znamená, že vlny by měly „uhasit“vítr, ale ve skutečnosti se to neděje.
Vichřice nad Hamburkem. 7. června 2016 / AP Photo / DPA / Monika Zucker
Na konci 90. let předložil americký výzkumník Kerry Emanuel „šílenou“hypotézu, která nenašla ve vědeckých kruzích žádnou odezvu. Navrhl, aby tření klesalo a odpor oceánského povrchu naopak klesal s rostoucím větrem. Ale to nemůže být?
Poté, v roce 2003, byl v časopise Nature publikován článek popisující podobný jev. Od konce 90. let 20. století americké středisko pro pozorování hurikánů Národního úřadu pro oceán a atmosféru pravidelně provádí terénní měření rychlosti větru v tropických cyklónech pomocí padajících sond GPS. Na základě zevšeobecnění výsledků těchto měření bylo také prokázáno, že koeficient odporu mořské hladiny je výrazně nižší než hodnota získaná extrapolací naměřených údajů za „normálních“větrů.
K pochopení tohoto problému se poté připojili zaměstnanci Katedry nelineárních geofyzikálních procesů Ústavu aplikované fyziky Ruské akademie věd z Nižního Novgorodu.
Ústav aplikované fyziky RAS v Nižním Novgorodu / Foto: Public domain
Propagační video:
"Náš nápad byl jednoduchý: zopakujme si tyto experimenty v laboratoři." Vytvořme "plátek" hurikánu a uvidíme, co se stane s vodní hladinou. Navíc je tam kde! “- řekla Yulia Troitskaya, doktorka fyzikálních a matematických věd, vedoucí oddělení nelineárních geofyzikálních procesů.
Vysvětlila, že ústav má jedinečnou instalaci, „Komplex rozsáhlých geofyzikálních stánků“, který zahrnuje termostratifikovanou pánev s vysokorychlostním kanálem větrných vln. Tento komplex je zahrnut v registru zařízení národního významu v Rusku.
USU „Komplex rozsáhlých geofyzikálních stojanů“(KKGS) / Federální výzkumné středisko Ústav aplikované fyziky Ruské akademie věd
Experimenty s modelováním hurikánů prováděné v Ústavu aplikované fyziky v Nižním Novgorodu přinesly úžasné výsledky. Pomocí vysokorychlostní japonské videokamery s rychlostí snímání až půl milionu snímků za sekundu bylo možné zaznamenat procesy, které poskytly pochopení základů formování silného větru během hurikánu. Ukázalo se, že skutečně dochází k „vyhlazení“vln, což vede ke snížení tření a odporu. Bylo možné dokázat skutečnost, které nebylo možné uvěřit.
Tvorba a oddělování kapek během hurikánových větrů / Institute of Applied Physics RAS (Nižnij Novgorod)
Vědci si navíc uvědomili, že „vyhlazovací“efekt není ani tak důležitý pro tvorbu silného větru ve srovnání s účinným mechanismem stříkající vody.
Yulia Troitskaya vysvětluje: „Zajímalo nás, jak přesně k tomuto„ vyhlazení “dochází? Jak vítr fouká z hřebenů? A najednou, ve zpomaleném pohybu, jsme viděli určitou „plachtu“, nafukující se do jakési bubliny, která praskla a vytvořila spoustu cáknutí. Ve studiích týkajících se fragmentace kapaliny již takové „plachty“byly objeveny, protože vědci aktivně studovali mechanismus vstřikování kapalného paliva do spalovacích motorů. V anglické literatuře se tomuto efektu říká rozpad pytle - „roztrhaný pytel“. V naší vědecké literatuře se tomu někdy říká fragmentace „typu padáku“.
Proces tvorby kapek v hurikánových větrech / Ilustrace RIA Novosti. A. Polyanina
Vědci spočítali kapičky a uvědomili si, že byl nalezen nejúčinnější mechanismus pro generování postříkání, což výrazně mění obraz výskytu hurikánů. Dříve se věřilo, že při prasknutí plovoucích bublin se tvoří šplouchání a jejich množství je nesrovnatelně menší. Ukázalo se, že pokud přepočítáme výsledky laboratorního experimentu v Nižním Novgorodu pro přírodní podmínky, bude tvorba tak silných hurikánových větrů srozumitelnější. Vědci si uvědomili, že se jedná o účinný mechanismus pro tok energie do větrů hurikánu, takže bude brzy možné předpovědět ničivou schopnost hurikánu.
Anna Urmantseva