Даниил Александрович Сергеев, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией экспериментальных методов в геофизической и технической гидродинамике Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук
Пограничный слой атмосферы и гидросферы нашей планеты, в первую очередь имеется в виду, конечно, Мировой океан, является фактически “кухней” погоды. Именно над океаном формируются основные погодные системы, в том числе наиболее опасные - тропические ураганы, которые в Тихом океане еще называют тайфунами. По совокупному урону, нанесенному человечеству, они являются абсолютными лидерами среди стихийных бедствий, многократно превосходя землетрясения, цунами и другие. Чтобы продемонстрировать мощь этих явлений, приведу несколько фактов об ураганах-рекордсменах. Тайфун “Тип” (1979 г.) имел диаметр почти 2200 км (см. Рис. 1а) и наименьшее за всю историю наблюдений ураганов атмосферное давление в центре - 652 мм. В урагане “Оливия” в Атлантике (1996 г.) регистрировались порывы ветра более 400 км/ч. Циклон “Бхола” в Индийском океане унес жизни до полумиллиона человек в 1970 г. из-за вызванных им затоплений дельты реки Ганг. Ураган “Катрина” стал самым разрушительным стихийным бедствием в истории США, нанеся ущерб почти в 200 млрд долларов (см. Рис. 1б).
В отличие от других стихийных бедствий ураганы сезонны и регулярны. Они возникают над тёплыми океаническими водами, когда сочетаются несколько условий: высокая температура поверхности океана (выше 26°C), влажность воздуха, низкое атмосферное давление и сила Кориолиса. Тёплый влажный воздух поднимается вверх, создавая область низкого давления, а вращение Земли заставляет его закручиваться по спирали, формируя мощный тропический циклон.
Для Северной Атлантики сезон ураганов считается с 1 июня по 30 ноября. Пик наблюдается около 10 сентября. При этом не стоит считать, что проблема ураганов не актуальна для нашей страны. Образовавшиеся в тропической зоне ураганы могут достигать высоких широт - так называемые глубокие внетропические проникновения. Это является одной из причин наводнений на нашем Дальнем Востоке, в том числе наиболее разрушительного в 2013 г. С другой стороны, существует проблема арктических, полярных ураганов, частота и сила которых растет с потеплением в Арктике из-за уменьшения ледового покрова и освобождения поверхности воды, которая может быть намного теплее воздуха.
Но интересно и важно, что такие мощнейшие системы на самом деле могут определяться микромасштабными процессами, происходящими в непосредственной близости от границы раздела воды и воздуха. Здесь мы уже совсем близко подходим к основной теме статьи – к брызгам, формирующим морской аэрозоль (см. Рис. 3).
Каждый, кто бывал на море, даже находясь на берегу, ощущал насыщенность воздуха капельками аэрозоля даже в хорошую погоду. Что же говорить про штормовые и ураганные условия в открытом океане, где при достижении некоторых пороговых значений скоростей ветра начинается интенсивное обрушение волн с образованием брызг, которые резко интенсифицируют обмен теплом, влагой между атмосферой и океаном, за счет большой суммарной эффективной площади капель, по сравнению с условиями умеренных ветров и волнения. Этот фактор очень важен, и его нужно учитывать при расчетах погоды и климата, т.е. при прогнозах. И вот тут как раз кроется главная проблема: как это сделать количественно? Если очень упрощенно, фактически для расчетов необходима информация о том, какое количество брызг определенного размера образуется (срывается) с единицы площади морской поверхности в единицу времени. Понятно, что получить подобные данные напрямую невозможно. Поэтому используют данные по измерениям концентраций брызг вдалеке от поверхности на экспедиционных судах или вышках, которые интерполируют на морскую поверхность. Но для условий сильных ветров, когда измерения затруднены, и в первую очередь для крупных капель, которые дают основной вклад в объемный поток, подобный косвенный подход приводит к очень высоким погрешностям.
Расхождения между разными исследованиями могут достигать десятков тысяч раз! Подобная недостоверность данных приводит к низкому качеству прогноза. Так, если по траекториям ошибка прогнозирования уменьшилась в 2 раза за последние 30 лет, то по интенсивности практически не изменилась (см. Рис. 4).
Главное - отсутствует понимание механизма образования брызг. И здесь на помощь приходит лабораторное моделирование. Речь идет об экспериментах на специальных установках - ветро-волновых каналах, на которых, в той или иной степени приближения, моделируются натурные условия в пограничных слоях атмосферы и океана. Одна из немногих в мире установок, на которой могут быть смоделированы условия регулярного обрушения волн и генерации брызг при сильных ветрах, и единственная в России находится в Нижнем Новгороде в Институте прикладной физики Российской академии наук. Высокоскоростной ветро-волновой канал ИПФ РАН входит в состав Уникальной научной установки Комплекс крупномасштабных геофизических стендов ИПФ РАН (включен в реестр уникального научного оборудования Российской Федерации - https://unu.ipfran.ru/pool).
Канал был создан в 2009 г., а ураганной тематикой в Лаборатории экспериментальных методов в технической и геофизической гидродинамике занимаются около 17 лет, т.е. по научным меркам сравнительно недавно. Несмотря на это, именно благодаря эксперименту и специальным системам измерения, основанным на высокоскоростной съемке, уже удалось получить уникальные и по-настоящему прорывные результаты. Высокоскоростная съемка позволила определить доминирующий механизм, который мы назвали “дробление по типу парашют”. Суть явления заключается в том, что из небольшого возвышения на поверхности ветер раздувает купол с тонкой пленкой, окруженной более толстым ободком (см. Рис. 6).
Ранее такой механизм наблюдался для отдельных капель или струй в потоке в инженерной гидродинамике и назывался bag breakup. При разрыве этой пленки образуются сотни мелких капель, а при последующей фрагментации ободка - крупные капли. Скоростная съемка не просто позволяет наблюдать эти несомненно красивые явления. Она позволила нам, во-первых, с помощью специальных алгоритмов обработки вида сверху получить количество этих событий на единицу площади в единицу времени, а во-вторых, детально изучить характеристики капель от одиночного явления. И вот, комбинируя статистику доминирующих явлений (парашютов) со статистикой капель от одного такого явления, мы как раз получаем количество капель с единицы площади в единицу времени - так называемую функцию генерации брызг. Мы впервые ее получили, не используя данные косвенных измерений, а основываясь на знаниях о физических механизмах генерации брызг.
Конечно, встает вопрос о том, как корректно перенести результаты, полученные на нашей установке, на морские, учитывая совершенно другие параметры волнения. Функцию генерации брызг можно пересчитать на натурные условия с учетом площади поверхности, занятой обрушениями, барашками на которых и образуются наши парашюты. Данные об обрушениях сейчас учатся получать с помощью методов дистанционного зондирования, в том числе из космоса со спутников. В этих исследованиях наша лаборатория также принимает активное участие.
При грантовой поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
