پیشرفت در پیش‌بینی آب‌وهوا با استفاده از قوانین فیزیک

سیالات از نظر علمی عناصری آشفته‌ هستند اما استفاده از یک روش جدید برای محاسبه حرکت این سیالات، جریان آن‌ها را پیش‌بینی‌پذیرتر می‌کند. این روش برای پیش‌بینی وقوع توفان و گرِدباد کاربرد خواهد داشت.

کد خبر: ۵۰۹۰۸۴

تاریخ: ۱۶ شهريور ۱۴۰۱ - ۱۵:۳۴

به گزارش گروه علم و آموزش ایران اکونومیست از وبگاه سایِنس اَلِرت (Science Alert)، هنگامی که یک فیزیکدان مقداری شیر را در چای خود می‌ریزد و هم می‌زند، به این فکر می‌کند که انواع الگوهای هم‌خوردن نوشیدنی را حدس بزند؛ زیرا «آشفتگی» از مباحثی است که همیشه برای آن‌ها جذاب بوده است.

فیزیکدانان مؤسسه فناوری جورجیا در آمریکا اثبات کرده‌اند که می‌توانند لحظاتی را که آشفتگی (توربولانس) الگوهای قابل اندازه‌گیری را منعکس می‌کند، شناسایی کنند.

دانشمندان می‌توانند از این روش برای افزایش درک ما از هیدرودینامیک استفاده کنند؛ ضمن اینکه می‌توانند همه‌چیز را از پیش‌بینی وضع آب‌وهوا گرفته تا طراحی خودرو، بسیار دقیق‌تر انجام دهند.

رومن گریگوریُف (Roman Grigoriev)، فیزیکدان مؤسسه جورجیا، اظهار می‌کند: نزدیک به یک قرن است که آشفتگی از نظر آماری به عنوان یک فرایند تصادفی توصیف شده است. نتایج ما اولین نتیجه تجربی را ارائه می‌کند مبنی‌بر اینکه در مقیاس‌های کوتاه زمانی مناسب، دینامیک آشفتگی قطعی است و آن را به معادلات حاکم قطعی اساسی مرتبط می‌کند.

پیش‌بینی سیال عمدتاً به دلیل نحوه تشکیل گرداب‌های کوچک یا گرداب‌ها در یک آشفتگی دشوار است. هنگامی که مواد در یک خط مستقیم جریان می‌یابد، پیش‌بینی سرعت و مسیر حرکت آن آسان است. با هر جریان پیچش‌دار جدید، سطح جدیدی تشکیل می‌شود که می‌تواند گرداب‌های جدیدی تولید کند.

گریگوریف می‌گوید: می‌توان آشفتگی را به خودرویی تشبیه کرد که جاده‌های پی‌درپی را دنبال می‌کند. شاید بهتر باشد آن را به قطاری شبیه دانست که نه تنها بر اساس جدول زمانی تعیین‌شده از یک راه‌آهن عبور می‌کند بلکه شکل آن نیز شبیه آن راه‌آهن است.

درست مانند راه‌آهن قیاسی ما، می‌توان آشفتگی را به‌ عنوان یک شبیه‌سازی عددی یا از طریق مدل‌های فیزیکی توصیف کرد. همان‌طور که جدول زمانی قطار برای رساندن شما به محل کارتان در سر ساعت معین مفید است، اگر بخواهید پیش‌بینی‌های مطمئنی درباره آشفتگی داشته باشید، پایبندی به یک رویکرد ریاضی ضروری است.

به‌ منظور پیداکردن راهی برای ساده‌سازی پیش‌بینی‌ها، تیم پژوهشی، مخزنی با دیواره‌های شفاف و مایعی حاوی ذرات ریزفلورسنت طراحی کرد. هدایت سیال بین یک جفت استوانه در حال چرخش مستقل و پیگیری محتویات درخشان آن مانند تماشای قطارهایی بود که در ایستگاه می‌چرخند.

تیم پژوهشی، با حل مجموعه‌ای از معادلات که تقریباً ۲۰۰ سال پیش ابداع شد و هم‌سو کردن آزمایشات با نتایج ریاضی توانست تشخیص دهد که الگوهای خاص آشفتگی که ساختارهای منسجم نامیده شده اند، چه زمانی پدیدار می‌شوند.

پیشرفت در پیش‌بینی زمان وقوع ساختارهای منسجم، دانشمندان را قادر می‌سازد آب‌وهوا را با دقت بیشتری پیش‌بینی کنند؛ ضمن اینکه امکان پیش‌بینی توفان‌ها و گردبادها را نیز فراهم می‌کند.