Пятница, 23 февраля, 2024
ДомойЗемляСекреты снежинок: ученые обнаружили, что их движение удивительно предсказуемо

Секреты снежинок: ученые обнаружили, что их движение удивительно предсказуемо

- Advertisement -

Инновационное исследование снежинок, проведенное ученым-атмосферником Тимом Гарреттом, показало, что их движение в условиях турбулентности воздуха, которое ранее считалось очень сложным, можно предсказать с помощью простой математической модели, основанной на числе Стокса. Этот прорыв, достигнутый благодаря передовым приборам, имеет важное значение для прогнозирования погоды и понимания изменения климата. Фото: SciTechDaily.com

Исследователи из Юты провели исследование, которое может значительно улучшить прогноз погоды, обнаружив, что движение снежинок удивительно предсказуемо.

Тим Гарретт посвятил свою научную карьеру изучению снежинок — постоянно меняющихся частиц льда, которые возникают в облаках и резко трансформируются по мере падения на Землю.

Теперь ученый-атмосферник из Университета Юты раскрывает тайну того, как снежинки движутся в ответ на турбулентность воздуха, которая сопровождает снегопад, с помощью новых приборов, разработанных в кампусе. И после анализа более полумиллиона снежинок то, что обнаружила его команда, поразило его.

Они обнаружили, что предсказание движения снежинок оказалось на удивление простым, а не чем-то непостижимо сложным.

«То, как падают снежинки, вызывает большой интерес на протяжении многих десятилетий, поскольку это критический параметр для прогнозирования погоды и изменения климата», — сказал Гарретт. «Это связано со скоростью круговорота воды. То, насколько быстро влага выпадает с неба, определяет продолжительность штормов».

«Письма, посланные с небес»

Знаменитый японский физик Укичиро Накая назвал снежные кристаллы «письмами, посланными с небес», потому что их тонкие структуры несут информацию о колебаниях температуры и влажности в облаках, где базальные грани кристаллов и призмы конкурируют за осаждение водяного пара.

Хотя каждая снежинка считается совершенно уникальной, согласно новому исследованию Гаррета и его коллег из Инженерного колледжа, то, как эти инеевые частицы падают в воздух – ускоряясь, дрейфуя и кружась, – следует определенным закономерностям. Движение снежинок имеет важные последствия для прогнозирования погоды и изменения климата, даже в тропиках.

«Большая часть осадков начинается со снега. Как вопрос о том, как быстро оно падает, влияет на прогнозы того, где на земле выпадут осадки и как долго облака будут отражать радиацию в космическое пространство», — сказал Гарретт. «Это может даже повлиять на прогнозы траектории урагана».

В исследовании также принимают участие Дирадж Сингх и Эрик Пардиджак с факультета машиностроения Университета США.

Аспирант Райан Щербински изучает прибор под названием Дисдрометр дифференциальной излучательной визуализации (DEID), разработанный исследователями Университета Юты и установленный в Альте, недалеко от вершины каньона Литл-Коттонвуд. Оборудование измеряет массу гидрометеора, размер и плотность снежинок. Фото: Тим Гарретт, Университет Юты.

Чтобы изучить движение снежинок, команде нужен был способ измерения отдельных снежинок, что на протяжении многих лет было сложной задачей.

«У них очень малая масса. Они могут весить всего 10 микрограммов, сотую долю миллиграмма, поэтому их невозможно взвесить с очень высокой точностью», — сказал Гарретт.

Работая с инженерным факультетом, Гарретт разработал прибор под названием «Дисдрометр дифференциальной излучательной визуализации» (DEID), который измеряет массу, размер и плотность гидрометеора снежинок. С тех пор это устройство было коммерциализировано компанией Particle Flux Analytics, сооснователем которой является Гарретт. По его словам, Министерство транспорта штата Юта разместило это оборудование в каньоне Литл-Коттонвуд, чтобы помочь в прогнозировании лавин.

Для полевых экспериментов Гарретта его команда установила его в Альте, знаменитом горнолыжном курорте и самом снежном месте Юты зимой 2020–2021 годов. Приборы были развернуты вместе с измерениями температуры воздуха, относительной влажности и турбулентности и помещены непосредственно под систему отслеживания частиц, состоящую из лазерного светового листа и однообъективной зеркальной камеры.

«Измеряя турбулентность, массу, плотность и размер снежинок и наблюдая, как они извиваются в турбулентности», — сказал Гарретт, — «мы можем создать полную картину, которую раньше невозможно было получить в Природная среда раньше».

Результаты оказались не такими, как ожидала команда.

Несмотря на сложную форму снежинок и неравномерное движение воздуха, с которым они сталкиваются, исследователи обнаружили, что они могут предсказать, как снежинки будут ускоряться, основываясь на параметре, известном как число Стокса (St), которое отражает, насколько быстро частицы реагируют на изменения в атмосфере. движение окружающего воздуха.

Когда команда проанализировала ускорение отдельных снежинок, среднее значение увеличилось почти линейно с числом Стокса. Более того, распределение этих ускорений можно было бы описать одной экспоненциальной кривой, не зависящей от числа Стокса.

Исследователи обнаружили, что та же математическая закономерность может быть связана с тем, как изменение формы и размера снежинок влияет на скорость их падения, предполагая фундаментальную связь между тем, как движется воздух, и тем, как изменяются снежинки, когда они падают с облаков на землю.

«Мне это кажется почти мистикой», — сказал Гарретт. «В атмосфере происходит что-то более глубокое, что приводит к математической простоте, а не к необычайной сложности, которую мы ожидаем, глядя на сложные структуры снежинок, хаотично кружащиеся в турбулентном воздухе. Нам просто нужно посмотреть на это правильно, и наши новые инструменты позволяют нам это увидеть».

Ссылка: «Универсальный закон масштабирования для лагранжевых ускорений снежинок в атмосферной турбулентности», Дирадж К. Сингх, Эрик Р. Пардижак и Тимоти Дж. Гарретт, 19 декабря 2023 г., Физика жидкостей.
DOI: 10.1063/5.0173359

Исследование финансировалось Национальным научным фондом.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме