Лазерный мир

Ветер и волны — два взаимозависимых компонента морской стихии. Тысячи лет люди пользуются расположением морских богов и страдают от коварства океана. Но до сих пор гидродинамика моря оставалась тайной за семью печатями. Новое исследование приоткрывает завесу.

Исследователи работали с зеленым лазером, который прорезает воздух и воду, делая видимыми потоки. Фото: Hereon/Marc Buckley

Международной исследовательской группе, возглавляемой Центром Hereon имени Гельмгольца, впервые удалось визуализировать в высоком разрешении и количественно оценить сложную динамику воздушного потока непосредственно над поверхностью океана. С помощью инновационной лазерной измерительной системы были расшифрованы чрезвычайно сложные механизмы обмена энергией между ветром и волнами, что является значительным шагом вперед в исследованиях климата, погодных моделях и динамике океана.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Также обзор, предназначенный для широкой общественности был размещен на сайте Центра Hereon. Международная команда, возглавляемая доктором Марком Бакли (Marc Buckley) из Института динамики прибрежных районов океана (Hereon Institute of Coastal Ocean Dynamics), совершила прорыв в области получения изображений поверхности океана с высоким разрешением. Используя специально разработанную лазерную измерительную систему на борту исследовательской платформы FLIP (Floating Instrument Platform) в Тихом океане, они смогли получить изображения воздушного потока на высоте от нескольких миллиметров до 1 метра над поверхностью океана. Ученые выявили два механизма взаимодействия ветра и волн, которые возникают одновременно, но действуют по-разному.

Короткие волны, длиной до метра, движутся медленнее ветра. Это приводит к разделению воздушного потока: гребень волны блокирует ветер, создавая разность давлений, которая передает энергию волне. Длинные волны — до 100 метров в длину — движутся быстрее ветра и своим движением создают возмущения приповерхностного воздуха. Эти механизмы действуют одновременно в разных частях волнового поля. Это стало откровением для экспертов и важнейшим открытием в области разработки моделей атмосферы и океана.

Исследовательская платформа FLIP (FLoating Instrument Platform) в Тихом океане. Автор: Марк Бакли (Marc Buckley)

Погода, климат, биохимия моря

Взаимодействие между ветром и волнами является ключевым для климатических систем Земли. Моря и океаны покрывают 70.8% поверхности земного шара или 381 миллион квадратных километров. Хотя в целом общепризнано, что эти сложные взаимодействия управляют обменом энергией, теплом и парниковыми газами между атмосферой и океаном, механизмы до сегодняшнего дня остаются в значительной степени неизвестными. Исследовательская группа планирует продолжить разработку системы, чтобы с большей точностью фиксировать процессы не Ученые подчеркивают, что до сих пор никто не измерял поток воздуха так близко к поверхности океана, не говоря уже о том, чтобы составить карту энергообмена в столь мелком масштабе. Наблюдения проливают свет на взаимодействия на физической границе двух стихий.

Мониторинг ведется с помощью зеленого лазерного луча, для которого проницаем как воздух, так и вода. Луч рассеивается в каплях воды, которые взвешены и над спокойной морской гладью, и над штормовым океаном. По характеру рассеивания лазерного луча можно измерить мельчайшие движения воздуха. В то же время лазер проникает вглубь воды. На поверхности, движимой ветром, свет преломляется, что позволяет увидеть структуру поверхностного слоя воды. Такое сочетание позволяет визуализировать как воздушную, так и водную среды.

Графические результаты измерений взаимодействия океана и атмосферы

Эксперименты команды основаны на измерении скорости визуализированных движущихся частиц (Particle Image Velocimetry, PIV), одном из ключевых алгоритмов в современной гидродинамике. В открытом океане метод PIV был применен впервые в истории.

Источник: https://hi-tech.mail.ru/news/130139-na-grani-dvuh-stihij-lazernyj-luch-raskryvaet-sekret-vzaimodejstviya-voln-i-vetra/