解构沙尘暴中的物理学

一个新的模型预测沙尘暴强度的增加取决于沙粒之间的碰撞。

根据一项新的计算机模拟，空气中的沙粒碰撞将使沙尘暴的威力加倍。这项研究是追踪虚拟风暴中每一颗沙粒的首批分析研究之一，它有助于预测这种破坏性天气现象如何影响周围地形。在计算机中重建风暴并不容易。这些被风吹动的沙子——可能导致道路交通事故、建筑物和机器的侵蚀，以及沙丘形成等更大的过程——包含了数百万由不断变化的风驱动的相互作用的沙粒。这项新研究的主要作者、瑞士苏黎世联邦理工学院的物理学家马尔库斯·维尼西·库内罗(MarcusViniciusCarneiro)表示，这些沙粒相互作用的复杂性甚至超过了最强大的处理器，迫使科学家简化模型。然而，随着计算机速度的不断提高，研究人员已经能够处理更加复杂的模拟过程。最新的模型可以揭示看似混乱的沙云的水平。在离地面只有几厘米的一层叫做软床的地方，跳跃的沙粒随风移动。在松软的河床上，一些沙粒正在跳跃，这一过程被称为跳跃。随着风速随纬度的增加，这一层的沙粒移动得更快，轨迹也比软床层长。然而，卡内罗说物理学家很难解释是什么导致了两层沙子的分离。他和他的同事已经启动了一个项目(在2011年的一篇论文中首次描述)来跟踪不同风力条件下模拟风暴中每个沙粒的轨迹。他们现在可以模拟4000粒沙子的运动。Carneiro指出，这个数量还不到一口沙子，但模拟在复杂性上仍是一个飞跃。在新的研究中，研究小组注意到了先前模型忽略的一个特征:空气中每个沙粒之间的碰撞。"如果忽略粒子在半空中的碰撞，数学模型会非常简单。"何润纽伦堡大学的物理学家埃里克·帕泰利说，他没有参与这项研究。他说，起初人们认为这些相互作用对沙尘暴的速度和强度的影响可以忽略不计。研究小组模拟并测量了空中沙粒碰撞对风暴强度的影响——风暴强度是由沙粒在一定时间内流过一定体积的空气计算出来的。在他们的模型中，他们可以调整沙子碰撞的发生和结束，并观察沙子流动的变化。Carneiro说，研究小组预计碰撞粒子会消散能量，减缓沙尘暴，但结果出乎意料。模型中的沙粒在空中相撞，但增加了流量，有时甚至使风暴强度加倍。研究人员在本月的《物理评论快报》上在线发布了这份报告。"起初我们认为这是一个错误。"卡内里奥说。然而，随着研究人员进行进一步的模拟实验，他们找到了一个解释。沙尘暴开始时，强风将一些颗粒吹离地面。当它们后退并与软床上缓慢移动的沙粒碰撞时，撞击将导致更多的沙粒漂浮在空中。(先前的研究已经指出了这种影响。该小组称被撞击物炸毁的沙粒为“跳跃者”当沙粒在下落过程中与上升的“跳跃者”碰撞时，下落的沙粒将被推动而上升。落下的沙粒会激起更多的“跳跃”。当沙粒以更高的风速到达高处时，沙尘暴就会升级。苏黎世联邦理工学院的物理学家汉斯·于尔根·赫尔曼(HansJürgen Herrmann)表示，更详细、更精确的模型可以帮助科学家更好地预测沙丘移动或管理受到侵蚀威胁的沿海土地。他认为，以前的模型没有考虑沙粒在空气中碰撞的影响，从而低估了沙尘暴的威力，使得沙尘暴对地形影响的预测不准确。加州大学洛杉矶分校的大气物理学家贾斯帕·科克没有参与这项研究，他指出风速越高，低估越严重。这意味着忽略沙粒碰撞的模型对于大多数风暴仍然是准确的，除了那些极端的风暴。他还表示，该团队使用的数字模型有其局限性。“尽管这确实是一篇优秀的论文，并且考虑了所有的物理因素，但它仍需要通过实验来证明。”科克说，这样的实验充满了挑战，因为在风洞中重塑沙尘暴的形状或现场测量沙粒速度时，很难防止沙粒碰撞。此外，这一发现扩大了模型和实际研究之间的差距。“通常情况下，我们在模型中得到的流量结果比现场测量结果更高，这一发现使问题变得更加严重。”如果沙粒的影响像研究所显示的那样重要，物理学家将不得不寻找其他方法来弥合真实沙尘暴和数字模拟之间的差距。