Ученые зафиксировали невидимые воздушные потоки с помощью лазера — открытие, которое изменит климатические модели

В последние годы ученые все активнее используют передовые лазерные технологии для изучения сложных природных процессов. Недавнее исследование, проведенное под руководством доктора Марка Бакли из Института динамики прибрежных океанов имени Хереона, стало прорывом в понимании микроскопических механизмов обмена энергии между атмосферой и поверхностью океана.

Используя инновационную лазерную платформу на борту плавучей установки FLIP в Тихом океане, команда ученых смогла впервые зафиксировать мельчайшие воздушные потоки и их взаимодействие с морской поверхностью на микроуровне. Это открытие значительно расширяет наши знания о динамике пограничной зоны между воздухом и водой, что важно для климатических моделей и прогнозирования погоды.

Новые методы лазерного сканирования и их применение

Для проведения исследования ученые применили зеленый лазер, который обладает способностью проникать как в воздух, так и в воду. Этот тип лазера позволяет получать высокоточные трехмерные карты поверхности океана и воздушных потоков над ней.

В отличие от традиционных методов измерения, которые ограничиваются наземными или спутниковыми наблюдениями, лазерное сканирование обеспечивает детализацию до миллиметров.

Технология основана на методе Particle Image Velocimetry (PIV), широко используемом в гидродинамике, но впервые примененном в открытом океане. Благодаря этому ученым удалось визуализировать мельчайшие движения воздушных масс и определить механизмы их взаимодействия с волнами различной длины.

Два конкурирующих процесса энергообмена

Результаты исследования выявили два основных механизма обмена энергии между ветром и океаном, которые одновременно действуют в переходной зоне. Первый связан с короткими волнами длиной около метра: ветер обтекает их гребни, создавая перепады давления и передавая энергию волнам.

Эти короткие волны движутся медленнее ветра, что вызывает характерные турбулентные потоки и локальные изменения давления. Второй механизм касается длинных волн — до 100 метров — которые перемещаются быстрее ветра и формируют собственные воздушные потоки. Эти длинные волны создают более устойчивую структуру взаимодействия с атмосферой, что влияет на глобальные процессы переноса тепла и газов.

Влияние открытия на климатические модели

Полученные данные имеют важное значение для улучшения точности климатических моделей. Взаимодействие энергии между воздухом и водой определяет не только формирование волн, но также влияет на перенос тепла, водяного пара и парниковых газов в глобальной системе.

До этого момента многие модели основывались на приближенных данных или предположениях о механизмах обмена энергии у границы воздуха и моря. Новое исследование показывает необходимость учета двух конкурирующих процессов для более точного прогнозирования изменений климата и погодных условий.

Технологические достижения: создание 3D-карт поверхности

Использование лазеров позволило создать детальные трехмерные карты поверхности океана с высокой точностью. Лучи лазера отражаются от микроскопических капель воды в воздухе или преломляются при прохождении через морскую рябь под водой.

Это дает возможность визуализировать мельчайшие неровности поверхности воды и отслеживать движение воздушных потоков практически в реальном времени. Такой подход значительно превосходит по точности традиционные методы измерений — он позволяет фиксировать динамику процессов на микроуровне, что ранее было невозможно.

Команда Бакли планирует продолжить работу по изучению подводных процессов — от движения воды под поверхностью до взаимодействия с атмосферными потоками на разных глубинах.

Это поможет создать более полную модель обмена энергией между воздухом и морем, а также понять роль микроскопических процессов в глобальных климатических системах. По словам ученого, "до сих пор никто не фиксировал воздушные потоки так близко к поверхности океана с такой точностью". Он отметил также важность дальнейших исследований для усовершенствования теоретических моделей обмена энергии.

Интересные факты по теме

1. Исследования показывают, что микроскопические капли воды в воздухе могут переносить парниковые газы на большие расстояния — это влияет на глобальный климат.
2. В некоторых случаях воздушные потоки над океаном создают так называемые "микровихри", которые могут усиливать или ослаблять развитие волн.
3. Использование лазеров для изучения атмосферы впервые было применено еще в 1960-х годах для определения состава атмосферы спутниками; современные технологии позволяют делать это с невероятной точностью даже над открытым морем.

Новое исследование доктора Бакли и его коллег демонстрирует потенциал лазерных технологий для раскрытия ранее недоступных аспектов взаимодействия воздуха и воды.

Полученные данные помогают понять сложную динамику энергетического обмена у границы атмосферы и океана, что имеет важное значение для моделирования климата будущего. Благодаря использованию инновационных методов ученые делают шаг вперед к более точным прогнозам погоды и пониманию глобальных изменений окружающей среды.