Η Φυσική των Αμμοθύελλων
Οι συγκρούσεις σωματιδίων άμμου στο μέσο του αέρα μπορεί να διπλασιάσουν τη δύναμη μιας αμμοθύελλας, σύμφωνα με νέες προσομοιώσεις υπολογιστή. Η εργασία - μεταξύ των πρώτων αναλύσεων για την παρακολούθηση κάθε κόκκου άμμου σε μια εικονική καταιγίδα - θα μπορούσε να βοηθήσει στην πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο αυτό το καταστροφικό καιρικό φαινόμενο διαμορφώνει το γύρω τοπίο.
Δεν είναι εύκολο να δημιουργήσεις ξανά μια αμμοθύελλα σε έναν υπολογιστή. Αυτές οι στήλες ανεμοδαρμένης άμμου—οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν συσσωρεύσεις στους δρόμους, να καταβροχθίσουν κτίρια και μηχανήματα και να οδηγήσουν μεγαλύτερες διεργασίες όπως η διάβρωση και ο σχηματισμός θινών—που αποτελούνται από πολλά εκατομμύρια αλληλεπιδρώντων σωματιδίων που προωθούνται από συνεχώς μεταβαλλόμενους ανέμους. Οι περιπλοκές τους κατακλύζουν ακόμη και τους πιο ισχυρούς επεξεργαστές, αναγκάζοντας τους επιστήμονες να απλοποιήσουν τα μοντέλα τους, λέει ο φυσικός Marcus Vinicius Carneiro του ETH Zürich στην Ελβετία, επικεφαλής συγγραφέας της νέας έρευνας.
Αλλά καθώς οι ταχύτητες των υπολογιστών έχουν αυξηθεί, οι ερευνητές μπόρεσαν να κάνουν τις προσομοιώσεις τους πιο περίπλοκες. Πρόσφατα μοντέλα αποκαλύπτουν μια ιεραρχία μέσα στο φαινομενικά χαοτικό σύννεφο της άμμου. Μόλις λίγα εκατοστά από το έδαφος σε ένα στρώμα που ονομάζεται μαλακό κρεβάτι, τα αναπηδώντας σωματίδια που ονομάζονται ρεπτόνια κινούνται προς την κατεύθυνση του ανέμου. Ένας μικρός αριθμός κόκκων που ονομάζονται saltons πηδούν ψηλά πάνω από το κρεβάτι σε μια διαδικασία γνωστή ως saltation. Αυτοί οι κόκκοι κινούνται πολύ πιο γρήγορα και έχουν μεγαλύτερες τροχιές από τα ρεπτόνια, επειδή οι ταχύτητες του ανέμου αυξάνονται με το υψόμετρο. Αλλά οι φυσικοί έχουν δυσκολευτεί να εξηγήσουν τι διαχωρίζει τα ρεπτόνια με χαμηλή αναπήδηση από τα σαλτόνια που πετούν ψηλά, λέει ο Carneiro.
Αυτός και οι συνάδελφοί του ανέπτυξαν ένα πρόγραμμα, το οποίο περιγράφηκε για πρώτη φορά σε ένα έγγραφο του 2011, το οποίο ακολουθεί την τροχιά κάθε κόκκου άμμου σε μια πρότυπη καταιγίδα υπό διάφορες συνθήκες ανέμου. Μπορούν τώρα να προσομοιώσουν την κίνηση 4000 σωματιδίων, η οποία, επισημαίνει ο Carneiro, είναι λιγότερο από μια μπουκιά άμμου, αλλά εξακολουθεί να είναι ένα άλμα προς τα εμπρός σε πολυπλοκότητα.
Σε αυτή τη νέα έρευνα, η ομάδα εστιάζει σε ένα χαρακτηριστικό που τα προηγούμενα μοντέλα έπρεπε να αγνοήσουν:τις συγκρούσεις μεταξύ μεμονωμένων κόκκων στον αέρα. «Τα μαθηματικά μοντέλα γίνονται απλά ευκολότερα αν παραμεληθούν οι συγκρούσεις στον αέρα», λέει ο Έρικ Παρτέλι, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ερλάνγκεν-Νυρεμβέργης στη Γερμανία που δεν συμμετείχε στην έρευνα. Η επίδραση αυτών των αλληλεπιδράσεων στην ταχύτητα και την ισχύ μιας αμμοθύελλας αρχικά θεωρήθηκε αμελητέα, λέει.
Η ομάδα διεξήγαγε προσομοιώσεις για να μετρήσει την επίδραση των συγκρούσεων στον αέρα στη δύναμη μιας καταιγίδας, την οποία μετράει ως ροή, τον αριθμό των σωματιδίων που διέρχονται από έναν δεδομένο όγκο αέρα σε μια δεδομένη χρονική περίοδο. Μπορούν να ενεργοποιήσουν και να απενεργοποιήσουν αυτές τις συγκρούσεις στο μοντέλο τους για να δουν πώς αλλάζει η ροή. Η ομάδα περίμενε ότι τα σωματίδια που προσκρούουν το ένα στο άλλο θα διασκορπίσουν την ενέργεια και θα επιβράδυναν την καταιγίδα, λέει ο Carneiro, αλλά τα αποτελέσματα τους εξέπληξαν. Η συμπερίληψη των συγκρούσεων στον αέρα στο μοντέλο αύξησε τη ροή, σε ακραίες περιπτώσεις διπλασιάζοντας περίπου τη δύναμη της καταιγίδας, αναφέρουν διαδικτυακά αυτόν τον μήνα στο Physical Review Letters .
«Στην αρχή, πιστεύαμε ότι ήταν λάθος», λέει ο Carneiro. Αλλά καθώς οι ερευνητές διερεύνησαν περαιτέρω την προσομοίωσή τους, ανέπτυξαν μια εξήγηση. Καθώς ξεκινά μια αμμοθύελλα, ένας δυνατός άνεμος σηκώνει μερικά σωματίδια από το έδαφος. Όταν πέφτουν πίσω στο μαλακό στρώμα των σωματιδίων που κινούνται αργά, δημιουργούν ένα πιτσίλισμα, εκτοξεύοντας περισσότερα σωματίδια στον αέρα. (Αυτό το φαινόμενο του πιτσιλίσματος είχε προταθεί σε προηγούμενη έρευνα.) Η ομάδα ονόμασε αυτούς τους πηχτούς κόκκους. Όταν ένας κόκκος που επιστρέφει προς τα κάτω συγκρούεται με ένα ανερχόμενο πήδημα, ο κόκκος που κατεβαίνει σηκώνεται ψηλότερα στον αέρα. Με αυτόν τον τρόπο τα ρεπτόνια γίνονται σαλτονάκια που πετούν ψηλά, εξηγεί η ομάδα. Και ο παφλασμός των σαλονιών που κατεβαίνουν κάνουν όλο και περισσότερα leapers, που σημαδεύουν περισσότερα salton με τη σειρά τους. Καθώς οι κόκκοι άμμου φτάνουν σε υψόμετρα με μεγαλύτερη ταχύτητα ανέμου, η αμμοθύελλα κλιμακώνεται.
Αυτό το πιο λεπτομερές και ακριβές μοντέλο θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να προβλέψουν καλύτερα την κίνηση των αμμόλοφων ή να διαχειριστούν την παράκτια γη που απειλείται από διάβρωση, λέει ο φυσικός Hans Jürgen Herrmann, επίσης από το ETH Zürich, ο οποίος ηγήθηκε της ερευνητικής ομάδας. Πιστεύει ότι τα προηγούμενα μοντέλα που δεν έλαβαν υπόψη τη σύγκρουση στον αέρα υποτιμούσαν τη δύναμη των αμμοθύελλων, καθιστώντας την πρόβλεψή τους για τις επιπτώσεις μιας καταιγίδας στο τοπίο ανακριβής.
Αυτή η υποτίμηση είναι πιο δραματική σε υψηλότερες ταχύτητες ανέμου, σημειώνει ο Jasper Kok, φυσικός της ατμόσφαιρας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. Αυτό σημαίνει ότι τα μοντέλα που αγνοούν τις συγκρούσεις θα εξακολουθούν να είναι σε μεγάλο βαθμό ακριβή για όλες εκτός από τις πιο ακραίες καταιγίδες. Σημειώνει επίσης ότι τα αριθμητικά μοντέλα όπως η ομάδα που χρησιμοποιείται έχουν τα όριά τους. «Αν και είναι ένα πραγματικά καλοδουλεμένο χαρτί και νομίζω ότι η φυσική επιβεβαιώνεται, πρέπει να επιβεβαιωθεί με πείραμα». Τέτοια πειράματα θα είναι μια πρόκληση, λέει ο Kok, επειδή είναι δύσκολο να αποτραπούν αυτές οι συγκρούσεις στον αέρα όταν αναδημιουργούμε μια αμμοθύελλα σε μια αεροδυναμική σήραγγα ή όταν μετράμε τις ταχύτητες της ανεμογεννημένης άμμου στο πεδίο. Επιπλέον, λέει, το εύρημα αυξάνει το χάσμα μεταξύ μοντέλων και πραγματικών μελετών. "Συνήθως παίρνουμε υψηλότερες ροές από αυτές που μετρούν στο πεδίο. Και αυτό το εύρημα το κάνει ακόμη χειρότερο." Εάν οι συγκρούσεις είναι τόσο κρίσιμες όσο υποδηλώνει αυτή η έρευνα, οι φυσικοί θα πρέπει να βρουν κάποιον άλλο τρόπο για να εξηγήσουν το διευρυνόμενο χάσμα μεταξύ των πραγματικών καταιγίδων και των ψηφιακών μιμήσεων τους.
