Лабораторное моделирование помогает распознать капризы погоды.
Турбулентность - простыми словами, хаотичное движение воздуха и жидкостей - явление невероятно сложное, влияющее на разные стороны нашей жизни, включая погоду на всей планете и в конкретных местах обитания людей. Разгадать этот хаос, объяснить его - одна из важнейших общенаучных и прикладных задач.
Экспериментальное моделирование атмосферных течений, которым занимаются сотрудники лаборатории турбулентности Института механики сплошных сред Пермского ФИЦ УрО РАН, помимо фундаментального имеет очевидное практическое значение.
Ученые разрабатывают модели различного масштаба, которые описывают как факторы, влияющие на городской климат, так и картину глобальной циркуляции атмосферы, в том числе сценарии арктического потепления.
Об этих исследованиях в беседе с корреспондентом газеты «Поиск» рассказал заведующий лабораторией доктор физико-математических наук Андрей СУХАНОВСКИЙ.
– Какие результаты вы ожидаете получить, изучая атмосферные течения?
– Мы моделируем вихревые воздушные потоки, которые движутся с запада на восток и вызывают изменения в средних широтах. Они видны на картах погоды как чередующиеся циклоны (области низкого давления) и антициклоны (области высокого давления), охватывающие территории в тысячи километров.
Обычное время жизни таких структур - одна-две недели. Но иногда в средних и полярных широтах антициклон «останавливается» и препятствует горизонтальной атмосферной циркуляции. Весной и летом, когда крупный антициклон блокирует поток влажного воздуха с запада на восток, устанавливается жаркая, солнечная погода, что чревато засухами, лесными пожарами и образованием смога. В зимний период антициклон приносит сильные морозы.
Достоверно прогнозировать такие события при помощи математических моделей, которые используются сегодня, пока не удается. Требуется более глубокое изучение факторов, определяющих движение антициклонов, а их множество: особенности рельефа, неоднородное распределение участков суши и океана, тонкие микрофизические процессы, например, фазовые переходы, ведущие к образованию водяного пара, капель и льда.
Вся эта невероятно сложная система может переходить из одного состояния в другое и в силу случайных факторов. Разобраться в природе этих явлений, увидеть основные тренды, рассматривая систему во всей полноте, практически невозможно.
Для этого используются упрощенные модели, позволяющие выявить роль того или иного ключевого фактора. Исследования в лабораторной постановке дают возможность охватить большой временной интервал. При этом нам удается воспроизвести особенности планетарных атмосферных течений.
Лабораторная модель глобальной циркуляции атмосферы помогает понять основные механизмы формирования «больших» атмосферных структур и их динамику.
И в перспективе с ее помощью можно улучшить математические модели, применяемые для прогноза погоды, обратив внимание на явления, предопределяющие наступление тех или иных резких перемен, например, прихода волн тепла или холода.
Мы провели цикл исследований крупных вихрей - тропических циклонов (в разных регионах их еще называют тайфунами или ураганами), которые наносят немалый ущерб восточным регионам нашей страны.
Благодаря лабораторному и численному моделированию при помощи аналога тропического циклона удалось выявить особенности их формирования и динамики. Полученные результаты полезны для улучшения полномасштабных математических моделей, применяемых для прогнозирования траектории движения крупных вихрей и их интенсивности.
– Одна из критических проблем полярного региона - арктическое потепление, начавшееся в 1960-е годы и продолжающееся до сих пор. Можно ли с помощью лабораторного моделирования ответить на вопрос, будет ли оно долгосрочным?
– Рост температур в Арктике, или арктическое усиление потепления (там этот рост происходит быстрее, чем в среднем по планете), приводит к таянию вечной мерзлоты и уменьшению площади арктических льдов. Чем меньше ледяной покров, тем меньше отражающая способность поверхности Земли, соответственно, тем больше солнечного тепла она поглощает, что способствует потеплению.
Для изучения этих процессов мы выполнили серию экспериментов и численных расчетов на основе лабораторного аналога циркуляции земной атмосферы. Такие исследования проводятся в рамках междисциплинарного проекта РНФ совместно с сотрудниками географического факультета Пермского государственного научно-исследовательского университета и специалистами по численным расчетам Красноярского филиала Института теплофизики Сибирского отделения РАН.
В рамках нашей модели увеличение притока тепла (моделируется таяние льдов) приводит к изменению формы и интенсивности лабораторного аналога полярной ячейки, что влечет за собой существенное перераспределение потоков тепла и температуры в атмосфере.
Полярная область и нижняя часть воздушного слоя в районе средних широт становятся более прогретыми, а низкие широты - относительно более холодными, что хорошо согласуется с результатами наблюдений и расчетов при помощи ансамбля климатических моделей.
Таким образом, описанную трансформацию полярной ячейки можно рассматривать как один из возможных сценариев для реальной атмосферы, что приближает нас к пониманию механизма, который определяет рост температур в Арктике.
Факторов, препятствующих этому процессу, пока не наблюдается, поэтому можно предположить, что температура в Арктике будет расти, и к этому нужно готовиться, а также продолжать исследования, чтобы попытаться понять, когда этот цикл закончится и что может к этому привести. Наши результаты экспериментального и численного моделирования арктического потепления опубликованы в высокорейтинговых журналах и уже вызвали интерес метеорологов.
– А что дает лабораторное моделирование атмосферных процессов в городе?
– Для оценки факторов, влияющих на городской климат, используются различные подходы, имеющие и преимущества, и свои недостатки. Так, численное моделирование с достаточным пространственным разрешением требует очень больших вычислительных ресурсов.
Чтобы проводить полномасштабные полевые измерения, нужны развитая инфраструктура и плотная сетка измерительных датчиков. Спутниковые наблюдения также связаны с серьезными ограничениями.
Альтернатива математическому моделированию атмосферных процессов на территории города - лабораторные эксперименты в условиях идеализированного городского ландшафта. Они дают ценную информацию об устойчивых особенностях процессов тепло- и массопереноса.
Можно достичь высокого пространственного разрешения - мы «видим» буквально каждый дом, и это позволяет решать разнообразные практические задачи - от оптимизации систем ливневых стоков до прогнозирования последствий техногенных аварий, связанных с загрязнением атмосферы.
Актуально также отслеживать распределение в воздухе вредных примесей в период неблагоприятных метеоусловий, в безветренную морозную или сухую, жаркую погоду, когда затрудняется рассеивание выхлопных газов и промышленных выбросов.
Это так называемый режим черного неба, который периодически вводится в крупных индустриальных городах России.
Результаты наших исследований, опубликованные, в частности, в международном журнале Urban Climate, помогут найти верные решения при формировании и оптимизации городской структуры.
Беседу вела Елена ПОНИЗОВКИНА
