КАК МАЛЕНЬКИЕ КАПЛИ ВЛИЯЮТ НА УРАГАНЫ?
11.07.2019
Источник: Научная Россия, 11.07.2019 г.
Анастасия Пензина
На конференции
"Рубежи нелинейной физики-2019" физик Юлия Троицкая поделилась
результатами последних исследований о формировании капель на поверхности
воды
Троицкая Юлия Игоревна – заведующая Отделом нелинейных
геофизических процессов Института прикладной физики РАН.
- Как вы пришли в область геофизики и к
изучению нелинейных физических процессов?
- Когда я училась в школе, то хотела
заниматься элементарными частицами. Это было романтично и интересно. Но
поступила я на радиофизический факультет. В то время он считался более сильным,
чем физический. И когда настало время выбирать специальность, к нам стали
приходить сотрудники из Института прикладной физики Российской академии наук.
На меня большое впечатление произвел сотрудник теоретического отдела Анатолий
Львович Фабрикант. Его слова я помню почти дословно – «Я пришел агитнуть за
гидру», - сказал он.
Смысл его высказывания состоял в том,
что в физике можно заниматься чем угодно, главное – заниматься этим на высоком
уровне. И мне так понравилась эта мысль, что я решила пойти туда, где работают
эти замечательные люди.
- Вы изначально интересовались этими
процессами формирования ветров, ураганов?
- Все было намного сложнее. Я закончила
кафедру физики плазмы, большой раздел которой посвящен взаимодействию между
волнами и частицами плазмы. Это невероятно красивые эффекты, в том числе и
нелинейные. Они логичны, гармоничны и выглядят очень эстетично.
Анатолий Львович Фабрикант занимался как
раз аналогиями между плазменными явлениями и явлениями гидродинамики –
взаимодействием волн с потоками в гидродинамике. Оказалось, что существует
множество аналогий, благодаря которым методы и подходы, применяемые в физике
плазмы, можно применить для динамики жидкости.
И в жидкости эффекты даже богаче и в
чем-то сложнее. Поэтому я решила, что буду заниматься этими процессами. Меня
интересовала задача по взаимодействию волн с потоками, а именно − как ветер
генерирует волны на поверхности воды.
- А как вы пришли к этому сложному
процессу формирования ураганных ветров?
- У нас был совместный проект с
норвежцами. Мы занимались моделированием неблагоприятных погодных условий в
Арктике. Дело в том, что атмосферные вихри в Арктике очень похожи на
тропические циклоны – у них схожий механизм образования. Сегодня американцы,
японцы вкладывают большие деньги в изучение процессов формирования тропических
циклонов. Для них это очень актуально.
Тем не менее, все эти процессы
невероятно сложны по своей природе. Определенный прогресс, конечно, есть, но
остается еще много вопросов. Как ураганный ветер воздействует на поверхность
воды? Как он генерирует огромные волны, брызги, пену? Данные об этом весьма
ограничены, поскольку у нас нет нужных наблюдательных возможностей и приборов.
И если тропические циклоны вызывают
много вопросов, то полярные ураганы вызывают еще больше. В процесс формирования
включается еще один фазовый переход – замерзание воды. Именно поэтому в этой
сфере можно найти самые разные интересные аспекты.
- Вам удалось выяснить, что капли еще
сильнее влияют развитие ветра.
- На самом деле, о том, что капли влияют
на динамику развития тропических циклонов, было известно давно. Капли усиливают
обмен энергии между атмосферой и океаном, что приводит к интенсификации
атмосферного явления.
Но вся проблема состояла в количественных
оценках. Сколько этих капель? Как они возбуждаются? Как они образуются во время
сильного ветра? Важно представлять детали этого механизма: какие это капли –
большие, маленькие, с кулак, с ноготок или со спичечную головку.
Если ты не понимаешь процесс, то будешь
лишь строить умозрительные гипотезы, но на свой вопрос вряд ли ответишь. Нам
как раз удалось выяснить, какой главный механизм отвечает за генерацию капель.
Благодаря этому мы можем сказать, какие это капли, как их формирование зависит
от скорости ветра. А дальше уже можно сосчитать количество капель.
- А как это можно применить в каком-то
прикладном ключе?
- Нельзя сказать, что уже можно
поставить точку. У этого механизма еще множество деталей, которые отвечают за
размеры капель и процесс обмена между атмосферой и океаном. Эти детали
оказались совершенно иными, чем мы себе представляли. Мы провели дополнительные
эксперименты и выяснили много интересного.
- Например?
- Основной механизм генерации брызг –
это так называемый процесс фрагментации по типу парашют. Происходит следующее:
на поверхности воды возникает всплеск (как он возникает – это отдельный вопрос
до конца еще не изученный), и ветер надувает из него парашют из водяной пленки.
Все эти процессы происходят очень быстро – время образования парашюта и его
разрыв составляет менее 10 миллисекунд. Мы смогли уловить эти процессы только
благодаря скоростной видеосъемке.
Нам казалось, что эта водная пленка
лопается как пузырь. Но на самом деле это разные явления.
Когда лопается пузырек, жидкость
собирается в тонкий ободок. Поскольку этот ободок движется по кривой
поверхности, то возникает центробежная сила, которая заставляет капли
разлетаться во все стороны как лучики.
Но парашют на поверхности воды лопается
по-другому. У него тоже появляется отверстие, которое собирается в
ободок. Но потом ободок распадается на отдельные капельки. Современная скоростная
видеосъемка позволяет эти вещи отследить и сделать выводы о том, какие будут
брызги. Зная их характеристики, мы уже можем вычислить поток тепла и влаги из
атмосферы в океан.
Именно это параметр определяет
количество энергии, поступающей в океан. Это параметр можно подставлять в
численные модели прогноза погоды и рассчитывать силу урагана.
Всё это очень интересно. Представляете с
чего мы начали – с каких-то пузырьков и капель, которые влияют на масштабные
процессы. И удивительным образом такие маленькие капельки вносят заметный вклад
во все эти явления.
- К чему вы сейчас стремитесь, какие у
вас планы на будущие исследования?
- Сейчас нам нужно работать над
прикладной составляющей. Зная функции распределения генерации капель, мы
понимаем, сколько капель выбрасывается. Теперь важно вычислить значения этих
потоков и получить формулы, которые в будущем смогут использовать метеорологи.
Конечно, нужно еще разобраться с тем, что происходит в
условиях холодной воды, когда капли замерзают. Эти процессы сегодня также
малоизучены.