Сотрудники ИПФ РАН стали лауреатами премии им. Л.И. Мандельштама

8 октября состоялось вручение премии имени Л.И. Мандельштама, которая присуждается за работы по физике и радиофизике. Зав. отделом нелинейных геофизических процессов Юлия Троицкая и зав. лабораторией экспериментальных методов в геофизической и технической гидродинамике Даниил Сергеев получили награду за цикл работ «Пограничные слои атмосферы и океана при экстремальных условиях: физические механизмы взаимодействия и методы диагностики».

В основе исследований — мелкомасштабные явления, которые наблюдаются на поверхности воды под действием высокоскоростного воздушного потока. Их можно рассматривать как конечную стадию развития сильно нелинейных мелкомасштабных волновых процессов в слое воды под действием сильного ветра. Применение радиофизических (колебательно-волновых) методов и подходов и позволило сотрудникам найти решение важных проблем геофизики.

О том, как проходило исследование, к каким результатам пришли и какое у этого практическое применение читайте в нашем материале.

— Расскажите подробнее про исследование, за которое вы получили данную премию. Как оно проходило? Какие методы использовали?

— Мы изучали процессы, происходящие вблизи плоской границы раздела жидкости и высокоскоростного газового потока. В этом случае взаимодействие сред приводит к генерации сильно нелинейных волн, их обрушению, образованию капель, пузырьков воздуха, в результате чего контактирующие среды становятся многофазными.

Это довольно часто встречающаяся конфигурация, которая возникает в разных природных и технических системах и даже в биологических объектах.

Мы занимаемся изучением многофазных сред вблизи границы атмосферы и океана при штормовом и ураганном ветре. Это не только интересная фундаментальная научная проблема, но и важная практическая задача, потому как ее решение позволит предсказать морских штормов и ураганов. В отчетах всех ведущих метеорологических агентств мира отмечается, что за последние 20 лет был достигнут значительный прогресс в прогнозировании траекторий штормов. При этом, существующие модели предсказывают интенсивность циклонов и, прежде всего, максимальные значения скорости ветра с большими погрешностями. Для наиболее интенсивных, быстро развивающихся штормов максимальная скорость ветра часто занижается более чем в два раза. Одной из основных причин для этого считается некорректное моделирование потока энергии из океана в атмосферу и аэродинамического сопротивления межфазной границы при высоких и экстремально высоких скоростях ветра.

В штормовых условиях атмосфера и океан становятся многофазными средами: приводный слой атмосферы насыщен брызгами и дождевыми каплями, на поверхности воды присутствуют пенные области, а приповерхностный водный слой насыщен пузырьками воздуха. Из-за многофазности возникают радикальные изменения энергообмена между океаном атмосфера, которые необходимо учитывать при прогнозе морских штормов. Значения параметров таких сред и коэффициентов обмена, которые приводят различные авторы, могут отличаться по величине в сотни тысяч раз. Это связано с тем, что провести измерения в натурных условиях очень сложно. Кроме того, механизмы генерации брызг недостаточно изучены, что ограничивает возможности теоретических оценок.

Для того, чтобы исследовать быстропротекающие мелкомасштабные процессы нужно использовать высокотехнологичное экспериментальное оборудование, которое доступно только в контролируемых лабораторных условиях. Мы проводили эксперименты на уникальной научной установке высокоскоростного ветро-волнового канала ИПФ РАН на базе большого термостратифицированного бассейна, на которой доступны высокие скорости воздушного потока над водной поверхностью, имитирующие условия морского шторма. Условия в канале моделируют приводный пограничный слой над водой при скоростях воздушного потока, эквивалентных скорости ветра до 50 м/с.

— Какие задачи были поставлены в ходе исследования? Как они были реализованы?

— Первая задача — изучение механизмов генерации брызг при экстремально высоких скоростях ветра. Традиционно считалось, что в этом случае, как и в покоящейся атмосфере, основным механизмом является разрыв всплывающих пузырьков. Однако наши исследования неожиданно продемонстрировали его сравнительно низкую эффективность при высоких скоростях ветра. Анализ скоростных видеофильмов выявил иной основной механизм генерации брызг. Он был связан с явлением ранее практически неизвестным в контексте взаимодействия атмосферы и океана, сходным с так называемым дроблением по типу «парашют» — механизм дробления капель при впрыске жидкого топлива. На основе его детального исследования мы определили вклад брызг в потоки тепла из океана в атмосферу при шторме и сопротивление воздушного потока, связанное с инжекцией капель.

Нужно также принять во внимание, что при сильном ветре поверхность воды покрыта пеной, образующейся при обрушении волн. О ее влиянии на аэродинамическое сопротивление поверхности воды и теплообмен между атмосферой и океаном практически ничего не было известно. Для изучения данного вопроса мы поставили ряд экспериментов.

Первый из них показал, что пена, с одной стороны, уменьшает среднеквадратичный уклон поверхностных волн и сопротивление формы. С другой стороны, пузырьки пены имеют собственную шероховатость, превышающую шероховатость поверхности воды. Кроме того, пена увеличивает температурную шероховатость поверхности воды, по-видимому, за счет увеличения площади контакта воды и воздуха. Полученные результаты помогли нам построить модели аэродинамического сопротивления морской поверхности и потоков энергии из океана в атмосферу, которые являются связующим звеном между такими мелкими объектами, как брызги и пена и таким гигантским явлением, как морской шторм.

Второе направление наших исследований было связано с разработкой методов дистанционной диагностики скорости приводного ветра в условиях шторма. Предпочтительные методы определения скорости и направления приводного ветра над морем в оперативной практике прогноза погоды связаны с использованием спутникового дистанционного зондирования в СВЧ-диапазоне (сантиметровые длины волн). Это связано с тем, что интенсивный облачный покров, типичный для штормовых условий, прозрачен для электромагнитных волн этого диапазона. Эти методы основаны на использовании эмпирической зависимости мощности сигнала, рассеянного на поверхности воды, от скорости ветра. Причем используется так называемое ко-поляризационное рассеяние, когда принимается излучение той же поляризации, что и излучается. Эти зависимости хорошо применимы при «обычных» скоростях ветра, но перестают работать при урагане из-за того, что мощность рассеянного сигнала перестает зависеть от скорости ветра, превосходящей 25 м/с.

Для решения этой проблемы в последнее время рассматриваются новые методы микроволнового зондирования поверхности океана, в частности, кросс-поляризационное рассеяние. Этот сигнал не испытывает насыщения при высоких скоростях ветра. Нам удалось доказать в эксперименте, что кросс-поляризационное рассеяние происходит главным образом на гребнях обрушающихся волн, а рост мощности рассеянного сигнала с ростом скорости ветра связан с увеличением площади поверхности, занятой обрушениями. Найденные закономерности могут быть использованы при построении алгоритма восстановления скорости ураганного ветра по дистанционным, в том числе, спутниковым радиолокационным измерениям. Большой вклад в этот результат внес младший научный сотрудник лаборатории нелинейной физики природных процессов Никита Русаков, который совсем недавно успешно защитил кандидатскую диссертацию.

— Какие у вас дальнейшие планы на исследовательскую деятельность? Планируете ли дальше работать с данной тематикой?

Дальнейших планов много. Нам ведь удалось только немного приоткрыть завесу тайны происхождения морских брызг. В их поведении еще много непонятного. Например, пока точно неясно, как будет меняться процесс образования брызг при развитии волнения. Как на него влияют примеси, которые всегда присутствуют в океанской воде, например, пленки биогенного и антропогенного происхождения, пузырьки воздуха, водоросли, микропластик и т.п. Также, мы сейчас начали изучать вопрос о том, как морские брызги влияют на климатическую систему Земли. Несмотря на их малые размеры, их влияние может быть весьма заметным, поскольку они существенно влияют на теплообмен между атмосферой и океаном. Кроме того, в последнее время была высказана идея о том, что брызги могут вносить существенный вклад в перенос парниковых газов между атмосферой и океаном. Мы сейчас работаем над проектом РНФ, в котором планируем учесть вклад брызг в газообмен с учетом обнаруженного нами основного механизма их генерации.