Ветер и волны — это два взаимосвязанных элемента морской стихии. На протяжении тысячелетий человечество обращается к морским богам и сталкивается с хитростями океана. Однако гидродинамика моря долгое время оставалась загадкой. Новое исследование открывает новые горизонты.
Группа международных исследователей, возглавляемая Центром Hereon имени Гельмгольца, впервые смогла визуализировать в высоком разрешении и количественно оценить сложные динамические процессы воздушного потока непосредственно над океанской поверхностью. С помощью новой лазерной измерительной системы были расшифрованы крайне сложные механизмы обмена энергией между ветром и волнами, что представляет собой значительный шаг вперед в области климатических исследований, моделирования погоды и динамики океана. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications. Также обзор, предназначенный для широкой аудитории, был размещен на сайте Центра Hereon.
Команда исследователей под руководством доктора Марка Бакли из Института динамики прибрежных районов океана достигла прорыва в области получения изображений поверхности океана с высоким разрешением. Используя специально спроектированную лазерную измерительную систему на борту исследовательской платформы FLIP в Тихом океане, им удалось запечатлеть воздушный поток на высоте от нескольких миллиметров до 1 метра над поверхностью воды. Ученые выделили два механизма взаимодействия ветра и волн, которые действуют одновременно, но по-разному.
Короткие волны, длиной до метра, движутся медленнее ветра. Это приводит к разделению воздушного потока: гребень волны блокирует ветер, создавая разность давлений и передавая энергию волне. Длинные волны, достигающие 100 метров в длину, движутся быстрее ветра и вызывают возмущения в приповерхностном воздухе своим движением. Эти механизмы работают одновременно в различных частях волнового поля. Это открытие стало настоящим откровением для специалистов и важным шагом в разработке атмосферных и океанских моделей.
Погода, климат, биохимия моря
Взаимодействие ветра и волн имеет решающее значение для климатических систем планеты. Моря и океаны занимают 70.8% поверхности Земли или 381 миллион квадратных километров. Хотя общепризнано, что эти сложные взаимодействия регулируют обмен энергией, теплом и парниковыми газами между атмосферой и океаном, механизмы этого процесса до сих пор остаются в значительной степени неразгаданными. Исследовательская группа намерена продолжить разработку системы, чтобы более точно фиксировать процессы как над поверхностью воды, так и под ней.
Ученые отмечают, что до настоящего времени никто не измерял поток воздуха так близко к поверхности океана, не говоря уже о создании карты энергообмена в столь мелком масштабе. Наблюдения освещают взаимодействия на физической границе двух стихий.
Мониторинг осуществляется с помощью зеленого лазерного луча, который проницаем как для воздуха, так и для воды. Луч рассеивается в каплях воды, находящихся как над спокойной морской гладью, так и над бурным океаном. По характеру рассеивания лазерного луча можно определить мельчайшие движения воздуха. В то же время лазер проникает в воду. На поверхности, движимой ветром, свет преломляется, что позволяет увидеть структуру верхнего слоя воды. Такое сочетание дает возможность визуализировать как атмосферную, так и водную среды.