Сотрудники Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) изучили, как поверхность океана взаимодействует с атмосферой во время шторма и выяснили, что она становится более гладкой из-за большого количества морской пены и особенностей морских брызг. Что приводит к усилению ветра и усугублению рисков и последствий штормов. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом, а ее результаты опубликованы в журнале Journal of Physical Oceanography.

«Это происходит за счет совместного действия пены на поверхности воды и генерации брызг по типу “парашют”. При увеличении скорости ветра количество пены на воде возрастает. Она подавляет короткие волны и ветровую рябь, сглаживая поверхность воды. Сильный ветер уменьшает средние размеры брызг, что приводит к снижению сопротивления, создаваемого каплями. Это замкнутый круг, потому что из-за меньшего сопротивления ветер усиливается», — рассказала одна из авторов статьи Юлия Троицкая, руководитель проекта, доктор физико-математических наук, заведующая отделом нелинейных геофизических процессов Института прикладной физики РАН.

Океаны покрывают около двух третей поверхности Земли и играют важную роль в образовании и изменении климата. Через морскую поверхность происходит обмен влагой, теплом и газом между водой и атмосферой, что сильно влияет на состояние окружающей среды, в том числе на ее сезонные колебания и долгосрочные климатические тенденции.

Один из основных факторов такого обмена — капли воды с поверхности океана (морские брызги), роль которых особенно возрастает во время шторма и урагана. В штормовых условиях атмосфера и океан становятся многофазными: слой атмосферы над водой насыщен брызгами и дождевыми каплями, на поверхности воды образуется пена, а приповерхностный слой воды насыщен пузырьками воздуха. Это вызывает радикальные изменения в обмене между океаном и атмосферой.

Чтобы составить прогноз погоды в море и рассчитать риски и последствия штормовых условий, ученые используют численные климатические и погодные модели, но при этом не удается воспроизвести мелкомасштабные процессы, приводящие к генерации обрушивающихся волнами брызг. Поэтому для их учета метеорологи используют модели, которые основаны на данных наблюдений и экспериментов. Но такие прогнозы неточны, поскольку качество измерений, особенно во время сильных ураганных ветров, очень низкое.

Ранее авторы подробно изучили и описали механизм генерации морского аэрозоля, который назвали дроблением типа «парашют». Он сравним с механизмом дробления капель в потоках газа, например, при впрыске топлива в двигатель внутреннего сгорания. Сначала на водной поверхности появляется мелкое возвышение, которое развивается в своего рода жидкий «парус». «Парус» раздувается в «парашют» — мембрану из водной пленки, окруженную более толстым «ободком». Затем парашют разрывается, образуя сотни брызг. Из-за такого механизма в атмосферу из океана поступает больше тепловой энергии, которая служит «топливом» для урагана.

В ходе нового исследования авторы объяснили парадоксальные свойства морской поверхности, находящейся под действием ураганного ветра. Оказывается, эффективная шероховатость морской поверхности во время сильных ветров снижается при увеличении скорости ветра, то есть поверхность воды становится как бы более гладкой.

Картинка: последовательность кадров высокоскоро...

Картинка: последовательность кадров высокоскоростной видеосъемки, которая иллюстрирует механизм образования брызг за счет процесса дробления типа «парашют». Источник: Юлия Троицкая

В ходе исследования ученые использовали уникальную экспериментальную установку высокоскоростного ветро-волнового канала, которая разработана в Институте прикладной физики РАН. Главным инструментом была скоростная видеокамера NAC-3X, с помощью которой проводилась видеосъемка с частотой до 10 тысяч кадров в секунду.

«Полученные результаты существенно улучшат точность прогноза, особенно для условий сильных ветров. Это минимизирует риски и последствия опасных погодных явлений», — отметила Юлия Троицкая.

Авторы планируют изучить особенности образования брызг при низких температурах, в частности то, как изменятся характеристики воды и как замерзание морского аэрозоля повлияет на теплообмен между океаном и атмосферой. Это поможет при моделировании полярных ураганов и интенсивных атмосферных вихрей, которые типичны для высоких широт, в частности, арктической зоны.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского.