Prédire les ouragans, avertir des tremblements de terre, contrôler les phénomènes atmosphériques mondiaux - c'est le rêve de la science moderne, qui étudie les complexes de causes sous-jacentes à tel ou tel événement. Le vent ouragan est l'un des domaines de recherche en physique atmosphérique, qui prédit avec succès les trajectoires des tourbillons depuis de nombreuses années, mais ne peut toujours pas prédire leur force, et donc l'ampleur des destructions possibles.
Depuis 20 ans maintenant, la recherche tourne autour de «l'équation de l'ouragan», qui découle de notre compréhension du mécanisme de sa formation. Disons qu'un ouragan se forme sur l'océan. Cela était dû à la montée par convection de l'air chaud et humide, à la condensation de la vapeur d'eau avec la libération de chaleur latente de vaporisation. Mais si nous définissons les nombres nécessaires au lieu de variables, nous n'obtenons en aucun cas une vitesse de vent aussi élevée que l'on puisse observer dans la réalité.
Il est bien connu que plus il y a de vent, plus il y a de vagues à la surface de l'eau. Les vagues sont une «rugosité» naturelle qui crée la force de friction entre le vent et la surface. Si l'on considère l'équilibre entre l'apport d'énergie et son absorption due au frottement, il s'avère que plus le vent est fort, plus cette absorption sera importante. Autrement dit, les vagues devraient "éteindre" le vent, mais en réalité cela ne se produit pas.
Tourbillon sur Hambourg. 7 juin 2016 / AP Photo / DPA / Monika Zucker
À la fin des années 90, le chercheur américain Kerry Emanuel a avancé une hypothèse «folle» qui n'a trouvé aucune réponse dans les milieux scientifiques. Il a suggéré que la friction diminue et que la résistance de la surface de l'océan, au contraire, diminue avec l'augmentation du vent. Mais cela ne peut pas être?
Puis, en 2003, un article a été publié dans la revue Nature décrivant un phénomène similaire. Depuis la fin des années 1990, le Centre d'observation des ouragans de la National Oceanic and Atmospheric Administration des États-Unis effectue régulièrement des mesures sur le terrain de la vitesse du vent à l'intérieur des cyclones tropicaux à l'aide de sondes GPS en chute. Sur la base de la généralisation des résultats de ces mesures, il a également été montré que le coefficient de résistance de la surface de la mer est significativement inférieur à la valeur obtenue en extrapolant les données de mesure sous des vents «normaux».
Ensuite, les employés du Département des processus géophysiques non linéaires de l'Institut de physique appliquée de l'Académie russe des sciences de Nizhny Novgorod se sont joints à la compréhension de ce problème.
Institut de physique appliquée RAS à Nizhny Novgorod / Photo: Domaine public
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«Notre idée était simple: répétons ces expériences en laboratoire. Créons une «tranche» de l'ouragan et voyons ce qui arrive à la surface de l'eau. De plus, il y a où! - a déclaré Yulia Troitskaya, docteur en sciences physiques et mathématiques, chef du département des processus géophysiques non linéaires.
Elle a expliqué que l'institut dispose d'une installation unique, le "Complexe de peuplements géophysiques à grande échelle", qui comprend un bassin thermostratifié avec un canal à ondes de vent à grande vitesse. Ce complexe est inscrit au registre des installations d'importance nationale en Russie.
USU "Complexe de peuplements géophysiques à grande échelle" (KKGS) / Centre fédéral de recherche Institut de physique appliquée de l'Académie russe des sciences
Les expériences de modélisation des ouragans menées à l'Institut de physique appliquée de Nizhny Novgorod ont produit des résultats étonnants. À l'aide d'une caméra vidéo japonaise à grande vitesse avec une vitesse de prise de vue pouvant atteindre un demi-million d'images par seconde, il a été possible d'enregistrer les processus qui ont permis de comprendre les bases de la formation d'un vent fort pendant un ouragan. Il est apparu clairement qu'il y a effectivement un «lissage» des ondes, ce qui conduit à une diminution du frottement et de la résistance. Il était possible de prouver un fait impossible à croire.
Formation et séparation des gouttes lors des vents d'ouragan / Institut de physique appliquée RAS (Nizhny Novgorod)
De plus, les scientifiques ont réalisé que l'effet de «lissage» n'est même pas si important pour la formation de vents forts par rapport au mécanisme efficace des éclaboussures.
Yulia Troitskaya explique: «Nous voulions savoir: comment exactement ce« lissage »se produit-il? Comment le vent souffle-t-il sur les crêtes? Et du coup, au ralenti, nous avons vu une certaine «voile», se gonfler en une sorte de bulle, qui éclate, formant beaucoup d'éclaboussures. Dans les études liées à la fragmentation des liquides, de telles «voiles» ont déjà été découvertes, les scientifiques ayant activement étudié le mécanisme d'injection de carburant liquide dans les moteurs à combustion interne. Dans la littérature anglaise, cet effet est appelé une rupture de sac - «sac déchiré». Dans notre littérature scientifique, on parle parfois de fragmentation «de type parachute».
Le processus de formation des gouttes dans les vents d'ouragan / Illustration par RIA Novosti. A. Polyanina
Les scientifiques ont compté les gouttelettes et ont réalisé que le mécanisme le plus efficace pour générer des éclaboussures a été trouvé, ce qui change considérablement l'image de l'occurrence des ouragans. Auparavant, on pensait que des éclaboussures se formaient à la rupture des bulles flottantes et que leur quantité était incommensurablement moindre. Il s'est avéré que si nous recalculons les résultats de l'expérience du laboratoire de Nizhny Novgorod pour les conditions de terrain, la formation de tels vents d'ouragan devient plus claire. Les scientifiques ont réalisé qu'il s'agit d'un mécanisme efficace pour le flux d'énergie dans un ouragan, il sera donc bientôt possible de prédire la destructivité d'un ouragan.
Anna Urmantseva
