Ученые с помощью лазеров раскрыли таинственные явления над океанскими волнами
Ученые, использующие инновационную исследовательскую платформу с лазерным оборудованием, обнаружили ранее неизученную среду, существующую в переходной зоне между воздухом и поверхностью океана. Новое исследование выявило два конкурирующих процесса энергообмена между ветром и океаном, что углубляет понимание сложного взаимодействия воздуха и воды, влияющего на волны и другие поверхностные явления.
С помощью лазерного сканирования ученые смогли детально измерить воздушные потоки над океаном с точностью до миллиметров. Исследование показало, что длинные и короткие волны взаимодействуют с ветром совершенно по-разному. Это открытие может дать новые ключи к пониманию влияния этих процессов на климатические и погодные модели, а также на перенос тепла и газов между атмосферой и океаном.
Лазерное сканирование раскрывает скрытое взаимодействие воздуха и моря
Эксперимент, проведенный под руководством доктора Марка Бакли из Института динамики прибрежных океанов имени Хереона, использовал специальную лазерную систему на борту плавучей платформы FLIP в Тихом океане. Ученые зафиксировали детальные изображения воздушных потоков непосредственно над поверхностью воды и обнаружили два различных механизма взаимодействия ветра и волн, которые происходят одновременно, но имеют разные характеристики.
Короткие волны длиной около метра движутся медленнее ветра, что приводит к перепадам давления, когда воздух обтекает их гребни и передает энергию волнам. В то же время длинные волны, достигающие 100 метров, перемещаются значительно быстрее ветра и создают собственные уникальные воздушные потоки. Сочетание этих процессов формирует сложную динамику в "скрытом мире" между океаном и приповерхностными ветрами.
Новые данные могут изменить климатические модели
Результаты исследования имеют большое значение, поскольку взаимодействие энергии, тепла и парниковых газов между океаном и атмосферой играет ключевую роль в формировании климата и погодных систем Земли. Хотя ученые давно изучают эти процессы, точные механизмы их работы до сих пор оставались плохо измеренными.
Команда Бакли планирует продолжить исследования, чтобы с такой же точностью зафиксировать движение воды под поверхностью океана. Это поможет создать более полную картину динамики на границе воздуха и моря.
"До сих пор никто не измерял воздушные потоки так близко к поверхности океана, не говоря уже о картировании энергообмена на таком микроуровне", — отметил Бакли.
"Наши наблюдения проливают свет на физическую границу, которая ранее оставалась малоизученной. Это позволит усовершенствовать теоретические модели и создать более точные описания процессов обмена между океаном и атмосферой, которые до сих пор были поняты лишь частично", — добавил он.
Лазеры создают 3D-карту поверхности океана
В исследовании использовался зеленый лазер, способный проникать как в воздух, так и в воду. Когда луч попадает на микроскопические капли воды в воздухе, происходит рассеивание, что делает видимыми даже самые слабые движения воздушных потоков. Под водой лазерный свет преломляется из-за ветровых ряби, что позволило ученым создать карты мельчайших неровностей поверхности.
Технология основана на методе, известном как Particle Image Velocimetry (PIV), который широко применяется в исследованиях динамики жидкостей и позволяет точно измерять структуру потоков и скорость ветра. Впервые этот метод был использован в открытом океане, что дало возможность визуализировать процессы по обе стороны границы воздуха и воды.
Результаты исследования в журнале Nature Communications.