Badanie ekstremalnych zdarzeń w przepływach burzliwych
Przepływy burzliwe, zwane również turbulencjami, to ruchy płynów charakteryzujące się gwałtownymi zmianami ciśnienia i prędkości przepływu. Przepływy burzliwe, jak na przykład te zachodzące w atmosferach planet, oceanach czy wokół płata samolotu lub turbiny wiatrowej, podlegają silnym wahaniom względem swojego średniego stanu, do tego stopnia, że w niektórych przypadkach może nawet nagle dojść do całkowitej zmiany konfiguracji przepływu. „Chociaż te ekstremalne zjawiska mają kluczowe znaczenie dla pogody, klimatu i wielu zastosowań inżynieryjnych, wiele ich aspektów pozostaje słabo poznanych”, mówi Corentin Herbert, fizyk z ENS de Lyon. „Ponieważ przepływy burzliwe mają na ogół kilka metastabilnych atraktorów, można się spodziewać, że w oceanie i atmosferze istnieją nagłe przejścia tylko ze względu na ich burzliwą naturę”. W ramach projektu badawczego TransTurb, wspieranego ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”, Herbert starał się lepiej zrozumieć takie ekstremalne zdarzenia i nagłe przejścia w przepływach burzliwych.
Punkt zwrotny dla globalnego klimatu
Celem naukowym projektu było zbadanie, czy w atmosferze w ogóle występują spontaniczne przejścia między stanami bistabilnymi i czy przypominają one przejścia wywołane szumem badane w fizyce statystycznej. „Chociaż nie wiadomo, kiedy takie przejście nastąpi, dynamika jest na ogół przewidywalna, ponieważ system zawsze podąża tą samą ścieżką prowadzącą do rzadkiego zdarzenia”, wyjaśnia Herbert. Zjawisko zwane superrotacją równikową, które było przedmiotem omawianego badania, polega na odwróceniu kierunku powierzchniowych wiatrów zwrotnikowych. „Podczas gdy na Ziemi dominują wiatry wschodnie, na wielu innych planetach, takich jak Wenus, obserwuje się wiatry wiejące z kierunków zachodnich”, mówi Herbert. „Nagłe przejście do superrotacji może stanowić nowy przykład punktu zwrotnego dla globalnego klimatu lub być może dla antropogenicznych zmian klimatycznych”. Wykorzystując obliczenia teoretyczne i symulacje numeryczne, badacz jednoznacznie wykazał, że mechanizm sprzężenia zwrotnego pomiędzy falami równikowymi w atmosferze a wiatrem tła prowadzi do bistabilności i nagłych przejść, a także wyjaśnił, w jakich warunkach ma to miejsce.
Adaptacja algorytmów
Jak mówi Herbert, badanie ekstremalnych zdarzeń w złożonych systemach wiąże się z poważnymi trudnościami technicznymi. „Głównym wyzwaniem wiąże się z tym, że interesują nas rzadkie wydarzenia, a dla takich, jak sama nazwa wskazuje, mamy niewiele obserwacji”, tłumaczy. „Bezpośrednie symulacje numeryczne systemu tak naprawdę nie rozwiązują problemu, ponieważ modele przepływów burzliwych lub systemu klimatycznego pochłaniają ogromne ilości zasobów obliczeniowych”. Aby rozwiązać ten problem dotyczący próbkowania, kilka grup opracowało skuteczne algorytmy numeryczne. „Drugim celem projektu TransTurb było wykazanie, że algorytmy te można zaadaptować tak, aby odpowiadały na istotne pytania dotyczące rzadkich zdarzeń w przepływach burzliwych”, wyjaśnia Herbert. „Opierając się na wiedzy dotyczącej algorytmów rzadkich zdarzeń, wykazaliśmy, że pozwalają one na ocenę typowego czasu pomiędzy dwoma wystąpieniami rzadkiego zdarzenia, określanego jako »czas powrotu«”.
Narzędzia dostępne dla innych badaczy
Wiele z narzędzi numerycznych opracowanych w ramach projektu zostało udostępnionych w serwisie Github dla wszystkich zainteresowanych naukowców. „Powinno to ułatwić innym badaczom udoskonalanie i rozszerzanie naszych metod oraz stosowanie ich w odniesieniu do innych systemów”, dodaje Herbert. „Mam nadzieję, że projekt pokazał społeczności fizyków, iż istnieje wiele fascynujących problemów w nauce o klimacie, dla których ich umiejętności mogą być przydatne”.
Słowa kluczowe
TransTurb, przepływy burzliwe, turbulencje, atmosfera, pogoda, klimat, fizyka, superrotacja równikowa, klimatologia
