Теоретическая буря: Песок в компьютере
Смоделировать песчаную пылевую бурю на компьютере — задача сложная, но необходимая. В пустынных и полупустынных регионах планеты они случаются довольно часто, вызывая разрушения, наполняя песком здания, забивая ходовые части автомобилей и техники. Они несут и другую опасность, приводя к эрозии почв и разрушению экосистем. Чтобы предвидеть их появление, чтобы противостоять этим бурям, необходимо лучше понимать механизмы их возникновения и действия.
Однако моделирование поведения многих миллионов частиц под действием переменчивых потоков ветра лежит далеко за пределами возможностей самых мощных компьютеров. Поэтому до сих пор все подобные работы проводились с массой серьезных упрощений и допущений, усложняясь лишь понемногу, по мере роста вычислительных сил. И они позволили обнаружить определенную структуру даже в столь хаотическом внешне процессе, как пылевая буря.
Слой песчинок в пределах нескольких сантиметров выше земли составляют частицы-«рептоны» (repton), движущиеся в направлении ветра. Некоторые песчинки-«сальтоны» (salton) вылетают высоко над этим слоем, они движутся намного быстрее и успевают пройти между столкновениями большее расстояние: скорость ветра бури с высотой увеличивается. Однако до сих пор оставалось неясным, отчего одни частицы становятся высотными «сальтонами», а другие — «рептонами».
Чтобы выяснить это, еще два года назад швейцарские ученые предложили модель, которая должна позволить проследить траекторию каждой песчинки, меняя различные параметры. Пока что с ее помощью удалось просчитать поведение лишь 4000 частиц — это заметно меньше обычной пылевой бури, но позволяет достичь не столь далекого от реальности уровня сложности. В своей работе ученые сосредоточились на том, как проходят столкновения между частичками, поднятыми в воздух, и как эти столкновения влияют на силу и скорость бури.
Ожидалось, что столкновения летящих пылинок должны рассеивать энергию бури, замедлять и ослаблять ее. Однако результаты оказались противоположными: увеличивая интенсивность столкновений в своей модели, авторы получали все более мощный поток песчинок через заданную область. В некоторых случаях сила такой «теоретической бури» возрастала при этом примерно вдвое! Поначалу ученым показалось, что где-то появилась ошибка, однако найти ее не удалось — зато вскоре происходящему было найдено понятное объяснение.
Авторы полагают, что с началом бури сильный ветер поднимает некоторые пылинки с земли. Вскоре они врезаются обратно в землю, в «мягкое ложе» медленно движущихся частиц, «разбрызгивая» их и поднимая в воздух. В некоторых случаях с такой поднимающейся частицей сталкивается быстрая песчинка, движущаяся вниз. Она отлетает обратно, получая дополнительную скорость и силу — так рождаются те самые быстродвижущиеся «сальтоны». С каждым разом и каждым новым столкновением их становится все больше, они поднимаются все быстрее и выше — этот процесс получает положительную обратную связь, усиливая бурю.
По публикации ScienceNOW