Воздушные столкновения частиц песка могут удвоить силу песчаной бури, согласно новым машинным моделированиям. Работа — среди первых исследований, которые отследят каждое зерно песка в виртуальном шторме — могла помочь предсказать, как это разрушительное погодное явление формирует окружающий пейзаж.Не легко воссоздать песчаную бурю на компьютере. Эти колонки незащищенного от ветра песка — который может вызвать нагоны шоссе, разрушьте здания и машинное оборудование, и стимулируйте большие процессы, такие как эрозия и формирование дюны — состоящий из многих миллионов взаимодействующих частиц продвигаемыми постоянно меняющимися ветрами.
Их запутанность сокрушает даже самые мощные процессоры, вынуждая ученых упростить их модели, говорит физик Маркус Винисиус Карнеиро из Швейцарской высшей технической школы Цюриха в Швейцарии, ведущем авторе на новом исследовании.Но поскольку компьютерные скорости увеличились, исследователи были в состоянии сделать свои моделирования более сложными. Недавние модели показывают иерархию в на вид хаотическом облаке песка.
Всего несколько сантиметров от земли в слое назвали мягкую кровать, живые частицы названный движением reptons в направлении ветра. Небольшое количество зерна, названного saltons, прыгает высоко над кроватью в процессе, известном как скачок. Это зерно перемещается намного быстрее и имеет более длинные траектории, чем reptons, потому что скорости ветра увеличиваются с высотой.
Но физики изо всех сил пытались объяснить, что отделяет низкое подпрыгивание reptons от честолюбивого saltons, говорит Карнеиро.Он и его коллеги развивали программу, сначала описали в статье 2011 года, следующей за траекторией каждого зерна песка в шторме модели под различными ветровыми условиями. Они могут теперь моделировать движение 4 000 частиц, которое, Carneiro указывает, является меньше, чем полный рот песка, но все еще прыжком вперед в сложности.
В этом новом исследовании бригада сосредотачивается на одной особенности, которую должны были проигнорировать предыдущие модели: столкновения между отдельным зерном в воздухе. “Математические модели становятся просто легче, если воздушными столкновениями пренебрегают”, говорит Эрик Партели, физик в университете Эрлангена-Нюрнберга в Германии, не вовлеченного в исследование. Влияние этих взаимодействий на скорости и силе песчаной бури, как первоначально предполагалось, было незначительно, говорит он.
Бригада управляла моделированиями для измерения результата воздушных столкновений на силе шторма, которую они измеряют как поток, число частиц, проходящих через данный объем воздуха за данное количество времени. Они могут включить и выключить эти столкновения в своей модели, чтобы видеть, как поток изменяется. Бригада ожидала, что частицы, врезающиеся в друг друга, рассеют энергию и замедлят шторм, Карнеиро говорит, но результаты удивили их.
Включая воздушные столкновения в модели увеличил поток, в крайних случаях, приблизительно удваивающих силу шторма, сообщают они онлайн в этом месяце в Physical Review Letters.“В начале мы думали, что это было ошибкой”, говорит Карнеиро. Но поскольку исследователи далее исследовали свое моделирование, они развили объяснение. Поскольку песчаная буря начинает, сильный ветер снимает некоторые частицы от земли.
Когда они терпят крах назад на мягкую кровать медленных частиц, они создают всплеск, пиная больше частиц в воздух. (Этот результат всплеска был предложен в предыдущем исследовании.) Бригада назвала это пнутое зерно leapers. Когда зерно, продвигающееся, спина вниз сталкивается с возрастанием leaper, спускающееся зерно поддерживается выше в воздух.
Это – то, как reptons становятся честолюбивым saltons, объясняет бригада. И всплеск спуска saltons делает все больше leapers, поддерживающие больше saltons в свою очередь.
Поскольку зерна песка достигают высот с большей скоростью ветра, песчаная буря возрастает.Эта более подробная и точная модель могла помочь ученым лучше предсказать движение дюн или управлять прибрежной землей, которой угрожает эрозия, говорит физик Ганс Юрген Херрманн, также Швейцарской высшей технической школы Цюриха, возглавившей исследовательскую группу. Он думает предыдущие модели, не принимавшие воздушное столкновение во внимание, недооценивали силу песчаных бурь, делая их предсказание результатов шторма на пейзаж неточным.
Эта недооценка является самой существенной на более высоких скоростях ветра, отмечает Джаспера Кока, атмосферного физика в Калифорнийском университете, Лос-Анджелес, кто не был вовлечен в работу. Это означает, что модели, игнорирующие столкновения, все еще были бы в основном точны для всех кроме самых чрезвычайных штормов. Он также отмечает, что числовые модели как используемая бригада имеют свои пределы. “Даже при том, что это – действительно хорошо сделанная газета, и я думаю физика, которую все проверяет, это должно быть подтверждено экспериментом”. Такие эксперименты будут проблемой, Кок говорит, потому что трудно предотвратить эти воздушные столкновения при воссоздании песчаной бури в аэродинамической трубе или при измерении скоростей раздутого песка в области.
К тому же, он говорит, открытие увеличивает промежуток между моделями и реальными исследованиями. “Обычно мы получаем более высокие потоки, чем, что они измеряют в области. И это открытие делает его еще хуже. ” Если столкновения так крайне важны, как это исследование предлагает, физики должны будут найти некоторый другой способ составлять расширяющийся промежуток между истинными штормами и их цифровыми имитаторами.