作者:M. V. Carneiro 来源:PRL 发布时间:2013-9-17 21:52:22
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新模型预测沙尘暴增加强度取决于沙粒间碰撞

 
一个新模型预测,一场沙尘暴不断增加的强度取决于沙粒之间的碰撞。
 
图片来源:Alicia M. Garcia
 
根据一项新的计算机模拟,沙粒在空中相撞会使沙尘暴的力量加倍。该项研究——在虚拟风暴中追踪每个沙粒的首批分析研究之一 ——能够帮助预测这种破坏性的天气现象如何塑造周围的地形风貌。
 
在计算机中重建一场风暴并不容易。这些被风吹起的沙子——可以导致道路交通事故,侵蚀建筑物和机器,并能导致沙丘形成等规模更大的过程——包含着数以百万计的相互作用的沙粒,它们被不断变化的风推动着。新研究的首席作者、瑞士苏黎世联邦理工学院的物理学家Marcus Vinicius Carneiro表示,这些沙粒相互作用的复杂程度甚至超过了最强大的处理器,这使科学家不得不在模型中进行简化。
 
不过随着计算机速度不断提高,研究人员已经可以将其模拟过程处理得更加复杂。最新的模型能够揭示看起来一片混乱的沙云中的层次。在离地面只有几厘米的被称为软床的一层中,跳跃的沙粒随着风的方向移动。软床之上,少数的沙粒在跳跃,该过程被称为跃移。由于风速随着纬度升高而加大,这一层的沙粒比软床层移动得更快,有更长的轨迹。不过,Carneiro称,物理学家很难解释是什么作用使这两层沙粒分离。
 
他和同事已经开展了一个项目(曾在2011年的一篇论文中首次进行了描述),在有不同风况的模拟风暴中,追踪了每个沙粒的轨迹。他们现在可以模拟4000颗沙粒的运动,Carneiro指出,这数量比一口吸进的沙子还要少,但该项模拟在复杂程度上仍然是一个飞跃。
 
在新研究中,研究团队关注了之前模型所忽视的一个特征:空中每个沙粒之间的相互碰撞。“如果忽略了粒子在半空中的碰撞,数学模型可以很简单。”德国埃尔兰根纽伦堡大学的物理学家Eric Parteli如是说,他并没有参与该研究。他表示,最初人们认为这些相互作用对沙尘暴的速度和力量的影响是可以忽略不计的。
 
研究团队通过模拟测量沙粒在半空中的碰撞对一场风暴强度的影响——风暴强度以在一定时间内通过一定体积空气的沙粒流量来计算。在其模型中,他们可以调节沙粒碰撞的发生与结束,并观察沙粒流量如何变化。Carneiro称,研究团队预期互相碰撞的颗粒会消散能量,从而使沙尘暴慢下来,然而实验结果却出乎意料。模型中的沙粒在空中相撞却增大了流量,有时甚至使风暴强度加倍。研究人员将报告在线发表于本月的《物理评论快报》上。
 
“刚开始我们以为这是一个错误。”Carnerio称。不过随着研究人员进一步进行模拟实验,他们找到了解释。沙尘暴开始时,强风将一些颗粒吹离地面。当它们落回并碰撞到软床上缓慢移动的沙粒时,所产生的撞击使更多的沙粒飘到空中。(之前的研究曾指出过此种撞击作用。)该团队称这些被撞击飘起的沙粒为“跳跃者”。当沙粒在落下过程中与正在上升的“跳跃者”冲撞时,下降的沙粒会得到提振从而升高。而落下的沙粒又会激起更多的“跳跃者”。当沙粒随着更大的风速到达高处时,沙尘暴就会升级。
 
苏黎世联邦理工学院的物理学家Hans Jürgen Herrmann表示,这种更加详细和精确的模型可以帮助科学家更好地预测沙丘移动,或者管理受侵蚀威胁的沿海土地。他认为以前的模型并没有将沙粒在空中相撞的作用考虑在内,因此低估了沙尘暴的力量,从而使关于沙尘暴对地形风貌影响的预测并不准确。
 
美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的大气物理学家Jasper Kok并没有参与该研究,他指出,风速越高,这种低估的程度越夸张。这意味着忽略沙粒碰撞的模型对大多数风暴来说仍然是准确的,除了那些极端的风暴。他还表示,该团队使用的数值模型有其局限性。“虽然这确实是一篇很出色的论文,并且兼顾了所有的物理因素,不过它还是需要通过实验来证明。”Kok称,这样的实验充满挑战,因为在一个风洞重塑沙尘暴或者实地测量风沙速度时,阻止沙粒碰撞是很困难的。另外,该发现扩大了模型和实际研究之间的鸿沟。“通常我们在模型中会得到比实地测量更高的流量结果,而这项发现使该问题更为严重。”如果沙粒撞击作用真如该研究所表现的那样重要,物理学家将不得不寻找其他方法来弥补真实沙尘暴和数字模拟之间的差距。(来源:中国科学报 张冬冬)
 
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