Учені наблизилися до розгадки формування торнадо: допомогла нова технологія дронів

Учені вперше серйозно зацікавилися торнадо в середині 20-го століття. Відтоді дослідники просунулися далеко вперед, проте торнадо все ще можуть бути невловними об'єктами досліджень, пише Inverse.

Переслідуючи шторми та використовуючи комп'ютерне моделювання, науковці виявили основні інгредієнти, необхідні для розкручування смерчу, проте два питання все ще продовжують їх турбувати: чому деякі грози утворюють торнадо, а інші — ні? Як саме торнадо отримують своє обертання?

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

З розвитком нових технологій науковці навчилися переслідувати смертоносні шторми, що породжують торнадо, за допомогою дронів — фактично вони запускають їх у серці шторму і використовують більше обчислювальних потужностей для їхнього моделювання, ніж будь-коли. За словами вченого-атмосферика з Університету Оклахоми в Нормані Хоуї Блюстейна, сьогодні вчені моделюють атмосферу з безпрецедентною просторовою роздільною здатністю. Але попри все це, існує ще багато речей і проблем, які необхідно вирішити.

Дослідники вважають, їм вдасться знайти нові ключі до розгадки формування торнадо, вивчаючи те, що відбувається в атмосфері навколо них і на землі під ними. А також порівнюючи те, що вони виявляють у польових умовах, з новими моделями гроз, які їх породжують. Використовуючи ці методи, вчені також намагаються зрозуміти, як зміни клімату можуть вплинути на те, коли й де утворюються торнадо.

Знадобилося майже 100 років, щоб скласти досить послідовний план кроків, необхідний для створення смерчу. Відомо, що більшість руйнівних торнадо породжуються грозами-суперкомірками, які, як правило, мають дуже високу хмару, що розширюється у формі ковадла зверху. Ці гіганти характеризуються обертовим потоком завширшки в кілометри, який називається мезоциклоном і здатний тривати годинами. Відомо, що ці обертання відбуваються через зсув вітру, наближаючи його до землі та обертаючи горизонтально. Потім ці вітри стають вертикально орієнтованими всередині висхідного потоку, подібно до дзиґи.

Науковці вже з'ясували, що для перетворення суперкомірчини на торнадо, необхідно кілька умов:

• гігантський мезоциклон у центрі шторму має змусити повітря обертатися ближче до землі;
• потім цей вихор має розтягнутися вгору, що значно прискорить його обертання.

За словами вченого-атмосферика Пола Марковскі з Університету штату Пенсільванія в Університетському парку, згодом вчені звернулися до моделей, що імітують фізику штормів. Наприклад, перші тривимірні моделі суперкомірок були створені ще в 1970-х роках. Це допомогло вченим вивчити структуру висхідних і низхідних потоків, а також те, як розвиваються опади.

З розвитком технологій вчені змогли використовувати моделі для відтворення поведінки, що спостерігається в реальних суперкомірках. У результаті їм вдалося виявити підказки про те, як області більш прохолодного повітря, звані холодними басейнами, можуть сприяти утворенню торнадо, скорочуючи час, необхідний для "народження" смерчу.

Зазначимо, що спочатку ці моделі мали відносно низьку роздільну здатність. Але в міру збільшення обчислювальної потужності моделювання почало відображати більше деталей про суперкомірки. Водночас учені зосередилися на реалістичному відображенні ефектів дощу, снігу та граду. І все ж їм вдалося досягти роздільної здатності близько сотень метрів — надто великої, щоб зловити торнадо, ширина яких, як правило, становить близько 20 метрів.

Згодом радар став кращим і швидшим, вчені почали використовувати його в польових умовах на вантажівках. Ще 1994 року група вчених, сподіваючись зрозуміти, звідки торнадо отримали своє обертання, переслідували шторми, використовуючи всіляке обладнання, зокрема:

• метеозонди з датчиками;
• автомобілі з приладами, що вимірюють температуру, тиск і вітер у суперкомірках.

За цим пішли інші польові кампанії, але вчені досі не дали остаточної відповіді, чому деякі грози в суперкомірках створюють торнадо, а інші не виходять за межі мезоциклону. Тепер дослідники зосередилися на пошуку нових стратегій та інструментів, які дозволять доповнити відомі дані.

Використання дронів

Дослідники виявили, що деталі, яких бракує, ймовірно, знаходяться зовсім не в центрі торнадо. За словами Марковскі, потрапляння чогось у саме серце торнадо принесе гарну картинку, але навряд чи розкриє більше подробиць, окрім того, що там "вітряно і низький тиск".

Замість цього вчені використовували нові інструменти, що дають змогу отримати підказки з довкілля, здатні допомогти їм відокремити торнадичні суперкомірки від неторнадичних. У результаті вчені-атмосферики використовували дрони для отримання даних про температуру, тиск і вітер під нижньою межею хмар.

По-перше, дрони здатні проводити детальні вимірювання на більших висотах, ніж автомобілі. По-друге, вони здатні перетинати межі між областями шторму з різним тиском і різною щільністю повітря. За словами атмосферика Адама Г'юстона з Університету Нераскі-Лінколь, ці області є надзвичайно важливими, оскільки вчені вважають, що саме на цих кордонах і формуються торнадо.

У своїй роботі Г'юстон з колегами об'єднують дані з дронів, радарів та інших польових методів у рамках проєкту TORUS з 2019 року. Зараз команда зосереджена на пошуку даних, що вказують на тенденції під час штормів.

Під час аналізу вчені також збирають дані про те, що відбувається поблизу землі, де формується торнадо. Дослідники використовували моделювання і виявили, що саме тут спостерігаються найвищі швидкості. Тепер дослідники припускають, що те, як повітря взаємодіє з поверхнею землі, може відігравати роль у виникненні та посиленні смерчів.

Утім, за словами Марковскі, цілком імовірно, що існує певна межа того, наскільки добре дослідники можуть зрозуміти й передбачити ці шторми. Річ у тім, що часом збурення бувають настільки малі, що їх практично неможливо виміряти. Ба більше, вони присутні в атмосфері всюди та можуть впливати на формування торнадо. У результаті Марковскі та інші вчені використовують машинне навчання, щоб навчитися краще прогнозувати поведінку цих штормів.

Таємниця обертання

Ще одним не менш важливим питанням, яке не дає вченим спокою протягом кількох десятиліть, є те, що вчені справді не розуміють, звідки береться обертання, що живить торнадо. На цей час існує щонайменше три гіпотези щодо того, звідки береться це навколоземне обертання.

Перша гіпотеза передбачає, що тертя уповільнює рух повітря біля землі. Інші гіпотези звертаються до низхідних потоків повітря, пов'язаних з опадами та охолодженням повітря. Фактично різниця в щільності між холодним повітрям і сусіднім теплішим повітрям може створити повітряний потік, що викликає обертання. До слова, комп'ютерні моделі та спостереження підтвердили цю ідею і вказують на різні області урагану, де це може статися.

Науковець-атмосферник Лі Орф з Університету Вісконсін-Медісон разом із колегами скористався досягненнями в галузі суперкомп'ютерів для створення моделей із роздільною здатністю 10 метрів, здатних безпосередньо моделювати торнадо. Команда зазначає, що в цьому масштабі турбулентність "буквально оживає". Моделі Орфа з колегами показують, як невеликі області обертання здатні викликати торнадо.

Тепер дослідники вважають, що потужніші моделі, можлива модернізація радіолокаційної системи та допомога машинного навчання разом допоможуть надалі розкрити внутрішній механізм торнадо. Утім, учені згодні, що дослідження в цій галузі тривають десятиліттями, а вчені раз у раз знаходять "сюрпризи". На жаль, найближчим часом це навряд чи зміниться.

Раніше Фокус писав про те, що вчені дізналися, як передбачити появу найстрашніших торнадо.