砂嵐の物理学|物理

新しいコンピューターシミュレーションによると、砂粒子の空中衝突は、砂嵐の強さを 2 倍にすることができます。バーチャルストーム内のすべての砂粒を追跡する最初の分析の 1 つであるこの作業は、この破壊的な気象現象が周囲の景観をどのように形成するかを予測するのに役立つ可能性があります。

コンピュータで砂嵐を再現するのは簡単ではありません。これらの吹きさらしの砂の柱は、道路のパイルアップを引き起こし、建物や機械を侵食し、侵食や砂丘の形成などのより大きなプロセスを促進する可能性があります。これは、絶え間なく変化する風によって推進される何百万もの相互作用する粒子で構成されています。その複雑さは、最も強力なプロセッサでさえも圧倒し、科学者はモデルを単純化することを余儀なくされている、とスイスの ETH チューリッヒの物理学者 Marcus Vinicius Carneiro は言い、新しい研究の筆頭著者である.

しかし、コンピューターの速度が向上するにつれて、研究者はシミュレーションをより複雑にすることができるようになりました。最近のモデルは、混沌とした砂の雲の中にある階層を明らかにしています。地面からわずか数センチのソフトベッドと呼ばれる層では、レプトンと呼ばれる跳ねる粒子が風の方向に移動します。ソルトンと呼ばれる少数の穀物が、ソルテーションとして知られるプロセスでベッドの上に高く跳躍します。これらの粒子は、風速が高度とともに増加するため、レプトンよりもはるかに速く移動し、軌道が長くなります。しかし、物理学者は低反発レプトンと高空飛行サルトンを区別するものを説明するのに苦労している、と Carneiro は言う.

彼と彼の同僚は、2011 年の論文で最初に説明されたプログラムを開発しており、さまざまな風の条件下でモデルの嵐のすべての砂粒の軌跡をたどります。 4000 個の粒子の動きをシミュレートできるようになりました。Carneiro 氏によると、これは一口の砂よりも少ない量ですが、それでも複雑さは飛躍的です。

この新しい研究では、チームは、以前のモデルが無視しなければならなかった 1 つの機能、つまり空気中の個々の粒子間の衝突に焦点を当てています。「空中衝突を無視すれば、数学モデルは単純に簡単になります」と、ドイツのエアランゲン・ニュルンベルク大学の物理学者、エリック・パルテリは言う。砂嵐の速度と強さに対するこれらの相互作用の影響は、当初は無視できると想定されていた、と彼は言う.

チームはシミュレーションを実行して、嵐の強さに対する空中衝突の影響を測定しました。フラックスは、特定の時間内に特定の体積の空気を通過する粒子の数です。モデルでこれらの衝突のオンとオフを切り替えて、フラックスがどのように変化するかを確認できます。チームは、粒子が互いに衝突することでエネルギーが散逸し、嵐の速度が遅くなると予想していましたが、結果は彼らを驚かせました、と Carneiro は言います。モデルに空中衝突を含めるとフラックスが増加し、極端な場合には嵐の強度が約 2 倍になったことが、今月の Physical Review Letters でオンラインで報告されています。 .

「最初は、それは間違いだと思っていました」と Carneiro 氏は言います。しかし、研究者がシミュレーションをさらに調査するにつれて、彼らは説明を開発しました。砂嵐が始まると、強い風がいくつかの粒子を地面から持ち上げます。動きの遅い粒子の柔らかいベッドに衝突すると、スプラッシュが発生し、より多くの粒子が空中に蹴り上げられます。 (このスプラッシュ効果は、以前の研究で示唆されていました。) チームは、これらの跳ね上げられた穀物リーパーをダビングしました。下降途中の穀物が上昇するリーパーと衝突すると、下降する穀物は空中に浮力されます。これが、レプトンが高く飛ぶサルトンになる方法だとチームは説明しています。そして、下降するサルトンの水しぶきは、ますます多くのリーパーを作り、それが順番により多くのサルトンを浮き上がらせます。砂粒が風速の速い高度に達すると、砂嵐がエスカレートします。

このより詳細で正確なモデルは、科学者が砂丘の動きをより正確に予測したり、侵食の脅威にさらされている沿岸の土地を管理したりするのに役立つ可能性があると、研究チームを率いた同じく ETH チューリッヒの物理学者ハンスユルゲンヘルマンは述べています。彼は、空中衝突を考慮していない以前のモデルは砂嵐の強さを過小評価しており、嵐が景観に及ぼす影響の予測を不正確にしていると考えています.

この過小評価は、風速が速いほど顕著になると、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の大気物理学者 Jasper Kok は述べています。つまり、衝突を無視したモデルでも、最も極端な嵐を除いて、ほぼ正確であるということです。彼はまた、チームが使用したような数値モデルには限界があることにも言及しています。「非常によくできた論文であり、物理学はすべてチェックアウトしていると思いますが、実験によって確認する必要があります.」風洞で砂嵐を再現したり、野外で風に吹かれた砂の速度を測定したりするときに、これらの空中衝突を防ぐのは難しいため、このような実験は困難になるとコック氏は言います。さらに、この発見はモデルと現実世界の研究との間のギャップを増大させると彼は言います. 「通常、現場で測定したものよりも高いフラックスが得られます。そして、この発見はそれをさらに悪化させます。」この研究が示唆するように衝突が重要である場合、物理学者は真の嵐とそのデジタル模倣の間のギャップの拡大を説明する別の方法を見つける必要があります。