Лазеры улавливают невидимый танец ветра и волн
Международная группа ученых под руководством доктора Марка Бакли из Института динамики прибрежных океанов Hereon добилась значительного прорыва в области высокоточной визуализации поверхности океана. В ходе уникального эксперимента в Тихом океане на плавучей измерительной станции FLIP они использовали специально разработанную лазерную систему, которая впервые в истории позволила зафиксировать движение потоков воздуха на высоте от нескольких миллиметров до одного метра над уровнем воды с высочайшим разрешением. Эти данные позволили обнаружить сразу два разных механизма взаимодействия ветра и волн, которые происходят одновременно, но проявляются по-разному в зависимости от длины волны.
Оказалось, что короткие волны длиной около метра движутся медленнее ветра, и потому создают зону разрыва потока воздуха. Ветер наталкивается на гребень волны, возникает перепад давления, и часть энергии ветра передается волне, усиливая ее. Длинные волны, достигающие до 100 метров, наоборот, движутся быстрее ветра и, уже благодаря собственной инерции, сами формируют воздушные потоки. Эти два механизма не исключают, а дополняют друг друга — просто работают они одновременно, в разных зонах морской поверхности.
Уникальность подхода заключается в применении лазерного луча, который проходит одновременно через воздух и воду. Зеленый свет, рассеиваясь в микрокаплях, распыляющихся в воздухе — как в тумане, подсвеченном солнечным светом — позволяет отследить мельчайшие движения воздуха. Одновременно, проходя через поверхность воды, лазер преломляется и дает информацию о структуре самой поверхности. Эта методика основана на технологии PIV (Particle Image Velocimetry), которая уже некоторое время применялась в гидродинамике, и теперь впервые была адаптирована для проведения исследований в открытом океане.
Именно через взаимодействие ветра и волн осуществляется обмен энергией, теплом и парниковыми газами между атмосферой и океаном, что напрямую влияет на погодные условия, морские течения и биохимические процессы, которые протекают в океане. Механизмы такого взаимодействия до сих пор были мало изучены, но теперь ученые собираются даже усовершенствовать свою технологию, чтобы в будущем с такой же точностью наблюдать процессы, которые протекают и под поверхностью воды.
Доктор Бакли отмечает, что ранее никто не проводил измерений воздушных потоков столь близко к поверхности океана и тем более не визуализировал процессы обмена энергией в таких масштабах. «Наши наблюдения открывают физическую границу, которая раньше была скрыта, — говорит он. — Это позволит усовершенствовать теоретические модели и сделать описания процессов обмена между воздухом и морем гораздо точнее, чем прежде».
Это исследование — часть масштабной научной деятельности Helmholtz-Zentrum Hereon, направленной на адаптацию к изменяющемуся климату. Центр объединяет усилия более 1000 специалистов, работающих на стыке полевых экспериментов, цифрового моделирования и искусственного интеллекта. Цель ученых — создать цифровые двойники природных систем, чтобы с максимальной точностью прогнозировать климатические сценарии и предлагать практические решения. В условиях стремительных климатических изменений понимание микромасштабных процессов, происходящих на границе океана и атмосферы может стать ключом к более точному прогнозированию погоды и лучшему управлению ресурсами.
