Áramlási modellezés az akváriumban

A recept akár egyszerű is lehetne: végy egy csipetnyi sót, néhány kanál cukrot, pár liter vizet, különböző festékeket meg egy akváriumot, s máris modellezheted a magasban lejátszódó légköri folyamatokat vagy a tenger mélyének titokzatos áramlásait. No persze a dolog azért nem ilyen egyszerű...

A cikk a Delta c. ismeretterjesztő TV-műsor május 12-ei adása alapján készült.

Az Eötvös Loránd Tudományegyetem kutatói igazi boszorkánykonyhában próbálják tanulmányozni a tornádók, a ciklonok működését vagy éppen a kéményfüst kiáramlásának törvényszerűségeit.

Tél Tamás és munkatársai a Kármán Tódor Környezeti Áramlások Laboratóriumának fizikusa azt kutatja, hogy milyen folyamatok befolyásolják például a kéményből felszálló gáz eloszlását. A felfelé mozgó közeg annak ellenére, hogy kiáramláskor sokkal könnyebb, mint a környező levegő maga, mégsem tud magasba emelkedni, mert közben hozzákeveredik a hidegebb, sűrűbb levegő. Ezért csak egy bizonyos, nem túl nagy magasságig jut el a légkörben. "A kísérlet alapján megfontolandó, hogy egy kéményt milyen magasra érdemes építeni!" - mondja Tél Tamás, mert nem feltétlenül ez a legjobb megoldás.

Egy másik jellemző példa az áramlási modellek felhasználására az édesvíz és a tengervíz keveredése. A 19-20. század fordulóján leírták, hogy ha a fjordok előtt elterülő édesvízi rétegbe fut be egy vitorlás, akkor az hirtelen lefékeződik. Hosszú ideig nem lehetett tudni, mi ennek a magyarázata. Kezdetben azt hitték, hogy hínárok vagy valamilyen sűrűbb közeg okozza, ma viszont - az áramlási kísérletek nyomán - már ismert, hogy a hajó keltette nagy amplitúdójú hullámokban keresendő a magyarázat. A kísérleti medencében ugyanis jól megfigyelhető, hogy a sós tengervíz és az édesvízi réteg találkozásának határán a hajó méretéhez képest mekkora hullámok keletkeznek. Éppen ezek, a felszín alatti vízmozgások a felelősek a vitorlás lelassulásáért, ezek fékezik le a mozgását.

De a különböző sűrűségű folyadékok segítségével a tornádók kialakulása és viselkedése is tanulmányozható. Tél szerint meglepő, hogy az ember úgy gondolja: a tornádó egy nagyon erős le- vagy feláramlással kapcsolatos jelenség, közben pedig a mechanizmusát modellező víztestbe juttatott kis szemcsék különös módon lebegnek. Festékréteget juttatva a vízbe pedig két "cső" alakul ki, amelyek jelzik, hogy a tornádónak nagyon sajátos áramlási képe van és csak a szélén valamint a közepén van erős le- és feláramlás, a köztes rétegekben pedig egy szinte álló levegőcső alakul ki.

Hasonló módszerrel kis területre kiterjedő klímamodellezés is lehetséges. A hegyvidéki völgyekben jellemző éghajlatot és ennek változását például úgy tudják utánozni, hogy hideg levegőnek megfelelő, festékkel jelölt sűrűbb vizet engednek egy melegebb vízréteg alá. Ilyenkor jól megfigyelhető, hogy a hidegebb közeg hosszú ideig megülhet a völgyekben, ugyanakkor egy fent elhaladó melegebb légtömeg képes ezt a rétegződést megkavarni és alaposan átrendezni.

Egy másik kísérletben a hegy-mögötti hullámok természetét vizsgálják, amely ötlettel egy már végzett meteorológus hallgató (aki egyébként aktív sportrepülő) kereste meg Jánosi Imre fizikust. A repüléssel foglalkozók számára régóta ismert jelenség a Pilis-hegység dél-keleti oldalánál is működik: bizonyos meteorológiai körülmények között hihetetlen magasságok érhetők el, újabb és újabb emelkedési csúcsok állíthatók fel. Mindez az úgynevezett hegy mögötti hullámokkal magyarázható. A Kármán Tódor Környezeti Áramlások Laboratóriumában ezt is megpróbálják részleteiben megérteni.
A különböző sűrűségű levegőrétegeket itt is különböző sűrűségű és színű folyadékrétegekkel modellezik. A hegyet jelképező kis makettet mozgatva sikerült hasonló jelenséget előidézni, mint amit a sportrepülők tapasztalnak. A "hegy" mögött ugyanis olyan hullámok alakulnak ki, amelyeket meglovagolva egészen a troposzféra határáig felhatolhatnak. Az is előfordul, hogy a hullámok megtörnek és rendkívül erős örvényeket alakítanak ki. Ezeknek az előrejelzése a polgári repülés szempontjából is nagyon fontos.

A laboratóriumban mindezek mellett kísérleteket végeznek a ciklonok kialakulásával, a hordalékok ülepedésével és a szökőár terjedésével kapcsolatban is. A kutatók azt remélik, hogy munkájuk eredményeképpen egyre többet tudhatnak meg a légkörben és az óceánban lejátszódó folyamatokról.

Ajánlat:

Eötvös Loránd Tudományegyetem, Elméleti Fizika Tanszék

Tél Tamás cikke a Természet Világa tudományos folyóiratban: Káosz egy csésze kávéban

Korábban az [origo]-ban:

A pusztítás nyomai az űrből
2002.05.06. A keleti part talán legnagyobb tornádójának nyomai a NASA műholdfelvételén.

2002-ben erős hurrikánaktivitás várható
2002.04.11. Hosszú ideje próbálják előre jelezni a pusztító hurrikánok felbukkanását, hiszen kialakulásuk és pontos útvonaluk ismeretében megelőzhetők lennének az általuk okozott katasztrófák. A közelmúltban az amerikai hurrikánkutató központ szakemberei közzétették 2002-re vonatkozó számításaikat.