Ученые приблизились к разгадке формирования торнадо: помогла новая технология дронов

Ученые впервые серьезно заинтересовались торнадо в середине 20-го века. С тех пор исследователи продвинулись далеко вперед, однако торнадо все еще могут быть неуловимыми объектами исследований, пишет Inverse.

Преследуя штормы и используя компьютерное моделирования, ученые обнаружили основные ингредиенты, необходимые для раскрутки смерча, однако два вопроса все еще продолжают их беспокоить: почему некоторые грозы образуют торнадо, а другие — нет? Как именно торнадо получают свое вращение?

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

С развитием новых технологий ученые научились преследовать смертоносные штормы, порождающие торнадо, с помощью дронов — фактически они запускают их в сердце шторма и используют больше вычислительных мощностей для их моделирования, чем когда-либо. По словам ученого-атмосферика из Университета Оклахомы в Нормане Хоуи Блюстейна, сегодня ученые моделируют атмосферу с беспрецедентным пространственным разрешением. Но несмотря на все это, существует еще много вещей и проблем, которые необходимо решить.

Исследователи полагают, им удастся найти новые ключи к разгадке формирования торнадо, изучая то, что происходит в атмосфере вокруг них и на земле под ними. А также сравнивая то, что они обнаруживают в полевых условиях, с новыми моделями гроз, которые их порождают. Используя эти методы ученые также пытаются понять, как изменения климата могут повлиять на то, когда и где образуются торнадо.

Потребовалось почти 100 лет, чтобы составить довольно последовательный план шагов, необходимый для создания смерча. Известно, что большинство разрушительных торнадо порождаются грозами-суперячейками, которые, как правило, имеют очень высокое облако, расширяющееся в форме наковальни вверху. Эти гиганты характеризуются вращающимся потоком шириной в километры, называемым мезоциклоном и способным длиться часами. Известно, что эти вращения происходят из-за сдвига ветра, приближая его к земле и вращая горизонтально. Затем эти ветры становятся вертикально ориентированными внутри восходящего потока, подобно волчку.

Ученые уже выяснили, что для превращения суперячейки в торнадо, необходимо несколько условий:

• гигантский мезоциклон в центре шторма должен заставить воздух вращаться ближе к земле;
• затем этот вихрь должен растянуться вверх, что значительно ускорит его вращение.

По словам ученого-атмосферика Пола Марковски из Университета штата Пенсильвания в Университетском парке, со временем ученые обратились к моделям, имитирующим физику штормов. Например, первые трехмерные модели суперячеек были созданы еще в 1970-х годах. Это помогло ученым изучить структуру восходящих и нисходящих потоков, а также то, как развиваются осадки.

С развитием технологий ученые смогли использовать модели для воспроизведения поведения, наблюдаемого в реальных суперячейках. В результате им удалось обнаружить подсказки о том, как области более прохладного воздуха, называемые холодными бассейнами, могут способствовать образованию торнадо, сокращая время, необходимое для "рождения" смерча.

Отметим, что изначально эти модели имели относительно низкое разрешение. Но по мере увеличения вычислительной мощности моделирование начало отражать больше деталей о суперячейках. В то же время ученые сосредоточились на реалистичном отображении эффектов дождя, снега и града. И все же им удалось достигнуть разрешения порядка сотен метров — слишком велико, чтобы поймать торнадо, ширина которых, как правило, составляет около 20 метров.

Со временем радар стал лучше и быстрее, ученые начали использовать его в полевых условиях на грузовиках. Еще в 1994 году группа ученых, надеясь понять, откуда торнадо получили свое вращение, преследовали штормы, используя всевозможное оборудование, в том числе:

• метеозонды с датчиками;
• автомобили с приборами, измеряющими температуру, давление и ветер в суперячейках.

За этим последовали другие полевые кампании, но ученые до сих пор не дали окончательного ответа, почему некоторые грозы в суперячейках создают торнадо, а другие не выходят за пределы мезоциклона. Теперь исследователи сосредоточились на поиске новых стратегий и инструментах, которые позволят дополнить известные данные.

Использование дронов

Исследователи обнаружили, что недостающие детали, вероятно, находятся вовсе не в центре торнадо. По словам Марковски, попадание чего-то в самое сердце торнадо принесет хорошую картинку, но едва ли раскроет больше подробностей, кроме того, что там "ветрено и низкое давление".

Вместо этого ученые использовали новые инструменты, позволяющие получить подсказки из окружающей среды, способные помочь им отделить торнадические суперячейки от неторнадических. В результате ученые-атмосферики использовали дроны для получения данных о температуре, давлении и ветре под нижней границей облаков.

Во-первых, дроны способны проводить детальные измерения на больших высотах, чем автомобили. Во-вторых, они способны пересекать границы между областями шторма с разным давлением и разной плотностью воздуха. По словам атмосферика Адама Хьюстона из Университета Нераски-Линколь, эти области чрезвычайно важны, так как ученые считают, что именно на этих границах и формируются торнадо.

В своей работе Хьюстон с коллегами объединяют данные с дронов, радаров и других полевых методов в рамках проекта TORUS с 2019 года. Сейчас команда сосредоточена на поиске данных, указывающих на тенденции во время штормов.

В ходе анализа ученые также собирают данные о том, что происходит вблизи земли, где формируется торнадо. Исследователи использовали моделирование и обнаружили, что именно здесь наблюдаются самые высокие скорости. Теперь исследователи предполагают, что, то, как воздух взаимодействует с поверхностью земли, моет играть роль в возникновении и усилении смерчей.

Впрочем, по словам Марковски, вполне вероятно, что существует некий предел того, насколько хорошо исследователи могут понять и предсказать эти штормы. Дело в том, что порой возмущения бывают столь малы, что их практически невозможно измерить. Более того, они присутствуют в атмосфере повсюду и могут оказывать влияние на формирование торнадо. В результате Марковски и другие ученые используют машинное обучение, чтобы научиться лучше прогнозировать поведение этих штормов.

Тайна вращения

Еще одним не менее важным вопросом, который не дает ученым покоя в течение нескольких десятилетий, является то, что ученые действительно не понимают, откуда берется вращение, питающее торнадо. На данный момент существует минимум три гипотезы относительно того, откуда берется это околоземное вращение.

Первая гипотеза предполагает, что трение замедляет движение воздуха у земли. Другие гипотезы обращаются к нисходящим потокам воздуха, связанным с осадками и охлаждением воздуха. Фактически разница в плотности между холодным воздухом и соседним более теплым воздухом может создать воздушный поток, вызывающий вращение. К слову, компьютерные модели и наблюдения подтвердили эту идею и указывают на различные области урагана, где это может произойти.

Ученый-атмосферник Ли Орф из Университета Висконсин-Мэдисон вместе с коллегами воспользовался достижениями в области суперкомпьютеров для создания моделей с разрешением 10 метров, способных напрямую моделировать торнадо. Команда отмечает, что в этом масштабе турбулентность "буквально оживает". Модели Орфа с коллегами показывают, как небольшие области вращения способны вызвать торнадо.

Теперь исследователи полагают, что более мощные модели, возможная модернизация радиолокационной системы и помощь машинного обучения вместе помогут в дальнейшем раскрыть внутренний механизм торнадо. Впрочем, ученые согласны, что исследования в этой области продолжаются десятилетиями, а ученые то и дело находят "сюрпризы". Увы, в ближайшее время это вряд ли изменится.

Ранее Фокус писал о том, что ученые узнали, как предсказать появление самых страшных торнадо.