Хвилі віддають енергію в атмосферу
Зазвичай морські хвилі не розбиваються до тих пір, поки не досягнуть берега. Лише при сильному вітрі під час шторму такий процес, що супроводжується появою на хвилях так званих баранчиків характерного білого кольору, може відбуватися і у відкритому морі. Однак навіть при відсутності такого вітру руйнування гармонійної хвилі можливо за рахунок модуляционной нестійкості.
Відео: Передача енергії + лампочка горить у воді
Що це за звір? На початку розвитку нестійкості хвиля розбивається на окремі хвильові пакети. В силу якоїсь як завгодно малої випадковості в стартових умовах вони мають різну енергію, тобто завдяки нелінійності розташовують трохи різної груповою швидкістю поширення. Пакети з меншою швидкістю поглинають енергію стикаються з ними більш швидких пакетів, що призводить до систематичного наростання їх енергії. Ну а останнім викликає подальше уповільнення такого пакета, і це підвищує частоту колізій з швидкими пакетами. І так далі, поки енергія пакета не досягне максимуму, а швидкість не впаде до мінімуму. Хоча поняття модуляционной нестійкості було розроблено не для морських хвиль, в цілому ситуація там така ж: 1-3% хвиль через описаного процесу постійно розбиваються в море (баранчик).
Куди дівається енергія хвилі, коли вона розбивається? Питання не пусте: одинична хвиля може мати кіловати енергії, і коли на її поверхні з`являється білий баранчик, ця величезна сила ніби випаровується. Роками відповідь на це питання здавалося очевидним: енергія повертається в море. Щоб обрахувати цей процес, використовувалося нелінійне рівняння Шредінгера. На жаль, воно вимагало прийняття декількох припущень: наприклад, в`язкість води умовно прирівнювалася до нуля (ігнорується), те ж саме з формуванням вирів. Крім того (не смійтеся), вважалося, що між водою і повітрям при зникненні хвилі нічого не відбувається. Зрозуміло, що таким чином можна було отримати тільки рішення, в яких хвильова енергія повітрям не передавалася зовсім.
Щоб злегка наблизити процес до реального світу, фізики застосували рівняння Нав`є - Стокса. Ця система бере до уваги всі опущені нелінійним рівнянням Шредінгера «деталі» і тому вимагає для обрахунку окремих процесів не минуть машинного часу, а тижнів. Причому на одну-єдину симуляцію руйнування хвилі при втраті нею швидкості.
Зусилля «моделістів» були винагороджені сторицею. Виявилося, що прямо перед своїм руйнуванням хвиля набирає швидкість - і її гребінь стає гострим, а потім обривається, формуючи за собою вихор: як в чашці, коли ви занадто сильно розмішуєте цукор ложкою. Як тільки вихор стосується поверхні води, він породжує обертається в зворотному напрямку протилежний вихор. Усередині цієї вихровий пари замкнутий повітря, який потім разом з вихорами піднімається в атмосферу, несучи більшу частину енергії хвилі.
Так-так, ви не помилилися: основна частина - а якщо бути точним, три чверті енергії такої хвилі-з-баранчиком - йде не в воду, якої дістається всього чверть, а в повітря! З огляду на, що енергія такої хвилі багато більше середньої (благо хвилі з баранчиками якраз запозичують свою енергію у «середняків»), мову можна вести про кіловатах з кожної хвилі. У глобальному ж масштабі - давайте-ка порахуємо кількість хвиль в Світовому океані - перед нами один з найбільших енергоджерел, що підживлюють атмосферні процеси. Але ж колись в дитинстві нам розповідали, що саме атмосферні процеси є основним джерелом хвиль ...
Відео: Гравітаційні хвилі впливають на атмосферу Землі
Фактично ж гідросфера, навпаки, скидає надлишки енергії в повітряний океан. Один з авторів дослідження, Александер Бабанін з Суінбёрнского технологічного університету (Австралія), підкреслює: «Наслідки взаємодії між водою і повітрям в тому ж кліматичному і погодний моделюванні дуже значимі, але великомасштабні симуляції такого роду взагалі не відображають хвиль». Замість цього для визначення взаємодії гідро- і атмосфери використовують швидкість вітру. Але це може внести помилки на «сотні відсотків», впевнений учений. Само собою, в результаті не враховується величезна енергія, якою атмосферна динаміка зобов`язана процесу руйнування хвиль. Природно, такі моделі нерідко не в змозі забезпечити не тільки конкретне ефективне пророцтво маси кліматичних процесів, але навіть і загальне розуміння деталей.
Автори роботи провели експеримент в лабораторних умовах і, застосувавши кольорові частинки, що забарвлюють дим над невеликими хвилями, дійсно зареєстрували передбачений розрахунком вихор (описує досвід публікація готується до друку). Проте, не дивлячись навіть на дослідне підтвердження, прямо зараз розуміння цього механізму недостатньо для удосконалення поточних кліматичних моделей, що створювалися роками і десятиліттями. Знадобиться безліч додаткових зусиль щодо відпрацювання симуляції масових процесів такого роду, що протікають в морях і океанах. Але тепер ми хоча б знаємо, що Земля кліматично куди складніше, ніж прийнято думати, а розуміння власного незнання, як би це банально не звучало, - абсолютно необхідний крок на шляху до знання.
