Teoria dotycząca przenikania ciepła wyjaśnia zjawisko nagłych ochłodzeń
Występujące wieczorami zjawisko warstwy granicznej stanowi niezwykle ważne zjawisko pogodowe, które może spowodować zatrzymanie chłodnego powietrza przy powierzchni ziemi, w wyniku czego o poranku może pojawić się mgła lub szron. Lepsze zrozumienie tego procesu może przyczynić się do poprawy dokładności prognoz pogody, oszczędzając rolnikom wielomilionowych strat wynikających ze zniszczenia upraw, a także zwiększając bezpieczeństwo podróży drogowych i lotniczych. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu COAT badał warunki wpływające na powstawanie zjawiska wieczornej warstwy granicznej. „W nocy powierzchnia ziemi ochładza się i tworzy rezerwuar zimnego powietrza o głębokości sięgającej od 50 do 200 metrów”, wyjaśnia Bas van de Wiel, główny badacz projektu COAT. „Zimne powietrze jest cięższe, dlatego tworzy osobną warstwę”. Gdy nie ma wiatru, ta statyczna warstwa zimnego powietrza gromadzi się przy ziemi, czego efektem jest występowanie mgły i szronu. Wystarczy jednak zakłócić stabilność tej warstwy, co pozwoli na rozproszenie chłodnego powietrza i zapobiegnie wystąpieniu tych zjawisk. Nieprzewidywalna natura wieczornej warstwy granicznej zmniejsza skuteczność modeli klimatycznych, powodując rozbieżności temperatury w prognozach na chłodniejsze okresy sięgające nawet do 5 stopni Celsjusza. „Z tego powodu postanowiliśmy przyjrzeć się bliżej przyczynom załamania turbulencji, które powoduje zatrzymanie mieszania warstw powietrza”, twierdzi van de Wiel.
Pętla sprzężenia zwrotnego
Wraz ze współpracownikami z Uniwersytetu Technicznego w niderlandzkim Delfcie van de Wiel zajął się modelowaniem wymiany ciepła pomiędzy gruntem i powietrzem. Utwardzone nawierzchnie, takie jak drogi i ulice, zatrzymują więcej ciepła niż trawa, w wyniku czego w nocy utrzymują wyższe temperatury, jednak nawet ciepło odprowadzane z nieutwardzonych nawierzchni w końcu jest uzupełniane od dołu. Ta obserwacja pozwoliła badaczom van de Wiela określić ilościowo całkowitą ilość spodziewanej utraty ciepła. Na podstawie tej wartości badacze mogli określić prędkość wiatru potrzebną do dostarczenia takiej ilości ciepłego powietrza, która uniemożliwi powstawanie mgły lub szronu. „Obliczyliśmy, że przy prędkościach wiatru mniejszych niż 3 metry na sekundę cały system przestaje działać”, dodaje. „Przepływ może przenieść tylko ustaloną ilość ciepła, a jeśli powierzchnia ochładza się w szybszym tempie, rezultatem jest pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego”. Model został zweryfikowany w ramach trzyetapowego procesu. W pierwszej kolejności zespół przeprowadził bezpośrednią symulację numeryczną, wykorzystując w tym celu duże moce obliczeniowe, budując system na podstawie wstępnych założeń. Następnie badacze skorzystali z modelu prognozy pogody, uwzględniając w nim pewne założenia, by sprawdzić, czy ich przewidywania sprawdzą się w praktyce. Na ostatnim etapie prób model został zastosowany do prognozowania rzeczywistej pogody, co pozwoliło na weryfikację jego dokładności. „Nawet na tym etapie nasze prognozy okazały się bardzo dokładne”, twierdzi van de Wiel. „Możemy być dzięki temu pewni, że nasza teoria jest słuszna i że rozwiązaliśmy problem turbulencji atmosferycznych”. Model wskazuje na to, że warunki glebowe, a także odległość od obszarów miejskich i wody stanowią kluczowe czynniki wpływające na powstawanie mgły.
Pierwsze owoce
Wyniki zrealizowanych badań są już teraz wykorzystywane w praktyce. Poza zwiększeniem dokładności prognoz dotyczących pogody i klimatu, badania van der Wiela wykazały, że ruch powietrza jest w stanie przeciwdziałać powstawaniu szronu. W ramach powiązanego projektu badacze wykorzystali duże wentylatory w celu zapewnienia obiegu powietrza w sadach owocowych, osiągając doskonałe rezultaty. „Wyniki były naprawdę świetne – temperatury wzrosły o 3 do 5 stopni, plony były o 100 % większe, a co najważniejsze, byliśmy w stanie wykazać, że wielkość zbiorów zależała od odległości od wentylatora”, zauważa van de Wiel. Projekt COAT uzyskał wsparcie ze strony Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych. „Te środki zdecydowanie nam pomogły – dały nam możliwość i szansę na wykorzystanie naszej kreatywności”, stwierdził badacz. „Niektóre fundusze jedynie pokrywają wynagrodzenie badaczy, ale w nauce chodzi o coś więcej”.
Słowa kluczowe
COAT, warstwa graniczna, powietrze, wiatr, wymiana ciepła, mróz, mgła, pogoda, prognoza, klimat, sad, owoce
