Μια πλατφόρμα στον ωκεανό, εξοπλισμένη με λέιζερ, έφερε στο φως δύο ανταγωνιστικές ανταλλαγές ενέργειας ανέμου και κυμάτων, με την κάθε μία από αυτές να διαμορφώνει την επιφάνεια της θάλασσας με απρόσμενους τρόπους. Η ανακάλυψη προσφέρει μια πιο καθαρή εικόνα για το πώς η ατμόσφαιρα και ο ωκτεανός ανταλλάσσουν θερμότητα, αέρια και ορμή.
Χαρτογράφηση με λέιζερ αναδεικνύει τον κρυφό “χορό” αέρα και θάλασσας
Μια συνεργατική μελέτη του Δρ. Marc Buckley από το Ινστιτούτο Παράκτιας Δυναμικής του Ωκεανού Hereon, δημιούργησε έναν ισχυρό, νέο τρόπο οπτικοποίησης της αλληλεπίδρασης ανάμεσα στον αέρα και τη θάλασσα.
Εργαζόμενη επάνω στην πλωτή ερευνητική πλατφόρμα FLIP (Floating Instrument Platform) στον Ειρηνικό Ωκεανό, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα ειδικά κατασκευασμένο σύστημα μέτρησης με λέιζερ για να καταγράψει εξαιρετικά λεπτομερείς εικόνες της ροής του αέρα που συμβαίνει μόλις λίγα χιλιοστά έως ένα μέτρο πάνω από την επιφάνεια του νερού. Αυτή η μέθοδος τους επέτρεψε να εντοπίσουν δύο διαφορετικές διαδικασίες σύζευξης ανέμου–κύματος, οι οποίες λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα αλλά συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά.
Τα κοντά κύματα, μήκους περίπου ενός μέτρου, κινούνται πιο αργά από τον άνεμο που τα υπερκαλύπτει. Καθώς ο άνεμος χτυπά αυτές τις κορυφές, διαχωρίζεται, δημιουργώντας μια διαφορά πίεσης που μεταφέρει απευθείας ενέργεια στο κύμα. Αντίθετα, τα μακριά κύματα, που μπορούν να εκτείνονται έως και 100 μέτρα, κινούνται στην πραγματικότητα πιο γρήγορα από τον άνεμο. Η κίνησή τους, παράγει μοναδικά μοτίβα ροής του αέρα. Και οι δύο μηχανισμοί συμβαίνουν ταυτόχρονα, σε διαφορετικά τμήματα του πεδίου κυματισμών, ένα στοιχείο που θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά την ακρίβεια των μοντέλων κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας και του ωκεανού.
Οι εισαγωγές ροής αέρα ενισχύουν τα κλιματικά μοντέλα
Η ανταλλαγή ενέργειας, θερμότητας και αερίων του θερμοκηπίου ανάμεσα στον ωκεανό και την ατμόσφαιρα, αποτελεί κεντρικό παράγοντα για τα παγκόσμια κλιματικά και καιρικά συστήματα. Παρόλο που οι επιστήμονες έχουν αναγνωρίσει τη σημασία αυτών των αλληλεπιδράσεων, οι λεπτομερείς μηχανισμοί της φυσικής πίσω από αυτές, είναι σε μεγάλο βαθμό, ανεξερεύνητες.
Η ερευνητική ομάδα, αποσκοπεί στην ενίσχυση του συστήματός τους, με σκοπό τον εντοπισμό της κίνησης κάτω από την επιφάνεια του νερού, με μεγαλύτερη ακρίβεια.
«Μέχρι στιγμής, κανείς δεν είχε υπολογίσει τόσο λεπτομερώς τη ροή του αέρα στην επιφάνεια του ωκεανού, πόσω μάλλον να χαρτογραφήσει τους μηχανισμούς της ανταλλαγής ενέργειας σε τόσο λεπτομερή κλίμακα», εξηγεί ο κύριος συγγραφέας, Buckley.
«Οι παρατηρήσεις μας, ρίχνουν φως το μέτωπο της φυσικής. Αυτές θα μας δώσουν την ικανότητα να αναπτύξουμε το θεωρητικό πλαίσιο, ώστε να δημιουργήσουμε πιο ακριβείς περιγραφές των διεργασιών ανταλλαγής αέρα–θάλασσας, οι οποίες, μέχρι στιγμής, μόνο μερικώς έχουν γίνει κατανοητές».
Τρισδιάστατη απεικόνιση της επιφάνειας το ωκεανού με λέιζερ PIV
Η απεικόνιση αυτή, βασίζεται σε ένα λέιζερ που διαπερνά τόσο τον αέρα, όσο και το νερό. Η πράσινη ακτίνα λέιζερ, χτυπά τα σταγονίδια του νερού που εισέρχονται στον αέρα – παρόμοια με την ομίχλη που φωτίζεται από το ηλιακό φως.
Τα σταγονίδια αυτά, ακολουθούν την κίνηση της ροής του αέρα, διασκορπίζουν το φως του λέιζερ και, κάνουν και τις μικρότερες κινήσεις στην ατμόσφαιρα, ορατές. Ταυτόχρονα, το λέιζερ διαπερνά την επιφάνεια του νερού. Στην επιφάνεια που κινείται από τον αέρα, το φως διαθλάται – αποκαλύπτοντας έτσι, τη δομή της επιφάνειας του νερού.
Ο συνδυασμός αυτός, επιτρέπει την απεικόνιση της πλευράς τόσο του αέρα, όσο και του νερού. Η μέθοδος αυτή, βασίζεται στην μέτρηση ταχύτητας ροής με απεικόνιση σωματιδίων (PIV), μια καθιερωμένη τεχνική στη δυναμική των υγρών. Η PIV παρέχει ακριβείς πληροφορίες για τη δομή της ροής και τις ταχύτητες του ανέμου. Πρόκειται για την πρώτη φορά που εφαρμόζεται η συγκεκριμένη τεχνική στον ανοιχτό ωκεανό.