Российские физики объяснили, почему поверхность моря разглаживается во время шторма

Чтобы предсказывать штормы и просчитывать их возможные последствия, нужно как можно точнее представлять себе механизмы этого грозного природного явления. Для этого учёные используют компьютерные модели происходящих во время урагана физических процессов. Однако это совсем не просто для такой бурной среды: слой воздуха над водой насыщен брызгами и дождевыми каплями, на поверхности моря образуется пена, а приповерхностный слой воды насыщен пузырьками воздуха.

До сих пор физикам не удавалось просчитать процессы, порождающие целые волны брызг. А ведь это отнюдь не мелочь, как может показаться: выделяющееся при этом тепло подпитывает ураган энергией.

Для их учёта метеорологи используют модели, основанные на данных наблюдений за штормами. Но такие прогнозы неточны, поскольку качество измерений, особенно во время ураганных ветров, очень низкое.

Российские физики в сотрудничестве с коллегами из Финляндии экспериментально воспроизвели поведение поверхности моря во время шторма. Это исследование опубликовано в издании Journal of Physical Oceanography.

В ходе работы учёные использовали уникальную экспериментальную установку, разработанную в Институте прикладной физики РАН (ИПФ). Главным инструментом была скоростная видеокамера NAC-3X, с помощью которой проводилась видеосъёмка с частотой до 10 тысяч кадров в секунду.

Исследователей интересовало, как объяснить парадоксальный феномен: чем сильнее ветер, тем меньше небольших волн. Фактически с усилением шторма поверхность моря становится всё более гладкой, хотя, казалось бы, должно быть наоборот.

С помощью скоростной камеры учёные детально выяснили процессы, происходящие на границе воды и воздуха.

Фото Юлии Троицкой.

Оказалось, что всё дело в механизме дробления капель типа "парашют", ранее подробно изученном той же командой. Сначала на водной поверхности появляется мелкое возвышение, которое развивается в своего рода жидкий "парус". "Парус" раздувается в "парашют" – мембрану из водной плёнки, окружённую более толстым "ободком". Затем парашют разрывается, образуя сотни брызг.

Именно эти мелкие брызги и "причёсывают" океан.

"Это происходит за счёт совместного действия пены на поверхности воды и генерации брызг по типу "парашют". При увеличении скорости ветра количество пены на воде возрастает. Она подавляет короткие волны и ветровую рябь, сглаживая поверхность воды. Сильный ветер уменьшает средние размеры брызг, что приводит к снижению сопротивления, создаваемого каплями. Это замкнутый круг, потому что из-за меньшего сопротивления ветер усиливается", – объясняет соавтор статьи Юлия Троицкая из ИПФ.

Авторы надеются, что их исследование поможет лучше предсказывать погоду на морских просторах.

"Полученные результаты существенно улучшат точность прогноза, особенно для условий сильных ветров. Это минимизирует риски и последствия опасных погодных явлений", – отмечает Троицкая.

Работа проходила в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как штормы помогают изучать недра Земли, и о том, что птицы слышат приближение бурь.