Лазеры запечатлели невидимый танец ветра и волн

Высокодетализированные лазерные изображения выявили два конкурирующих механизма взаимодействия ветра и волн, что может значительно улучшить прогнозирование погоды и климата. Фото: Shutterstock

Международная команда под руководством доктора Марка Бакли из Института динамики прибрежного океана Hereon совершила прорыв в высокоточном сканировании поверхности океана. Используя специально разработанную лазерную систему измерений на исследовательской платформе FLIP (Floating Instrument Platform) в Тихом океане, ученые смогли зафиксировать движение воздушных потоков на высоте от нескольких миллиметров до метра над поверхностью воды. Были обнаружены два механизма ветро-волнового взаимодействия, которые происходят одновременно, но действуют по-разному.

Короткие волны длиной около метра движутся медленнее ветра. Это вызывает разделение воздушного потока: гребень волны блокирует ветер, создавая перепад давления, который передает энергию волне. Длинные же волны (до 100 метров) перемещаются быстрее ветра и генерируют иные схемы воздушных потоков за счет своего движения. Эти механизмы работают одновременно в разных частях волнового поля — что является ключевым открытием для совершенствования атмосферных и океанических моделей.

Значение для погоды, климата и морской биохимии

Взаимодействие ветра и волн — центральный компонент климатической и погодной системы Земли. Хотя общепризнано, что эти сложные процессы контролируют обмен энергией, теплом и парниковыми газами между атмосферой и океаном (влияя на состояние моря, погоду и течения), их механизмы до сих пор оставались малоизученными. Исследовательская группа планирует усовершенствовать систему для более точного сканирования движений под поверхностью воды.

«До сих пор никто не измерял воздушные потоки так близко к поверхности океана, не говоря уже о картировании механизмов энергообмена в таком мелком масштабе», — отмечает ведущий автор исследования Бакли. «Наши наблюдения проливают свет на физический фронтир. Это позволит нам продвинуть теоретическую базу и создать более точные описания процессов воздушно-морского обмена, которые до сих пор были поняты лишь частично».

Уникальная съемка над открытым океаном

Метод основан на лазере, проходящем через воздух и воду: зеленый луч попадает на капли воды в воздухе — подобно туману, освещенному солнцем. Эти капли повторяют движение воздушного потока, рассеивают лазерный свет и делают видимыми даже мельчайшие колебания воздуха. Одновременно лазер проникает сквозь поверхность воды. На ветровом участке свет преломляется, обнажая структуру водной поверхности. Такое сочетание позволяет визуализировать процессы как в воздухе, так и в воде.

Технология использует метод PIV (Particle Image Velocimetry) — стандартный подход в гидродинамике, обеспечивающий точные данные о структуре потоков и скорости ветра. Впервые этот метод был применен над открытым океаном.

Передовые исследования для меняющегося мира

Научная работа Helmholtz-Zentrum Hereon направлена на сохранение мира, пригодного для жизни. Около 1000 сотрудников центра генерируют знания и разрабатывают технологии для повышения устойчивости — на благо климата, побережий и человечества. От идеи к инновациям исследователи идут через эксперименты, моделирование и цифровые двойники, воссоздающие параметры климата, береговых зон и даже биологии человека. Этот междисциплинарный подход охватывает как фундаментальное понимание сложных систем, так и практическое применение. Как активный участник международных научных сетей, Hereon помогает политикам, бизнесу и обществу формировать устойчивое будущее.

Источники:

Материалы предоставлены Helmholtz-Zentrum Hereon.