Как ветер формирует волны: Лазерные измерения раскрыли ранее скрытые взаимодействия над океаном

Международная исследовательская группа под руководством Центра Гельмгольца Хереон впервые с высокой детализацией визуализировала и измерила сложную динамику воздушных потоков непосредственно над поверхностью океана. С помощью инновационной лазерной измерительной системы были расшифрованы ранее неизвестные и высокосложные механизмы обмена энергией между ветром и волнами. Это значительный шаг вперед для климатических исследований, погодных моделей и изучения динамики океана. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Команда под руководством доктора Марка Бакли из Института динамики прибрежного океана Хереон добилась прорыва в высокоразрешающей съемке поверхности океана. Используя специально разработанную лазерную систему на борту исследовательской платформы FLIP в Тихом океане, ученые зафиксировали воздушные потоки на высоте от нескольких миллиметров до 1 метра над водой. Были идентифицированы два механизма связи ветра и волн, действующих одновременно, но по-разному.

Короткие волны длиной около метра движутся медленнее ветра. Это вызывает разделение воздушного потока: гребень волны блокирует ветер, создавая перепад давления, который передает энергию волне. Длинные волны (до 100 метров), наоборот, движутся быстрее ветра и своим движением генерируют иные структуры воздушных потоков. Эти механизмы работают одновременно в разных частях волнового поля — что является ключевым открытием для совершенствования атмосферных и океанических моделей.

До сих пор никто не измерял воздушный поток так близко к поверхности океана, не говоря уже о картировании механизмов обмена энергией в таком мелком масштабе. Наши наблюдения проливают свет на физический рубеж. Это позволит нам продвинуть теоретическую базу и разработать более точные описания процессов обмена между атмосферой и океаном, которые до сих пор были поняты лишь частично.

Визуализация основана на лазере, проходящем и через воздух, и через воду. Зеленый луч попадает на капли воды в воздухе, рассеивает свет и делает видимыми даже мельчайшие движения воздуха. Одновременно лазер проникает через поверхность воды, где преломление света на ветровом волнении раскрывает ее структуру. Это сочетание позволяет визуализировать обе среды. Метод основан на Particle Image Velocimetry (PIV) — впервые примененной в открытом океане.