Władcy żywiołów, czyli jak naukowcy odtwarzają ekstremalne zjawiska pogodowe i katastrofy naturalne

W tym artykule:

1. Zbiornik do badania fal – FloWave, Szkocja
2. Stół do wstrząsów – Ośrodek E-Defense, Japonia
3. Pogoda na życzenie – Ośrodek testowy Scanii, Szwecja
4. Przepis na lawę – Uniwersytet w Buffalo, Stany Zjednoczone
5. Ściana wiatru – Floryda
6. Symulator pożarów lasu – Kalifornia
7. Sposób na ścianę – Debris Impact Facility, Teksas

Zbiornik do badania fal – FloWave, Szkocja

W należącym do edynburskiego uniwersytetu ośrodku FloWave można wygenerować fale mierzące nawet 28 m. To największy na świecie okrągły zbiornik do badania fal i pływów. Ma 25 m średnicy i 5 m głębokości. Testuje się w nim turbiny wytwarzające prąd z energii oceanów, a także prowadzi się badania nad procesem powstawania morskich fal. Dzięki 168 widocznym na obrzeżach, sterowanym komputerowo, panelom FloWave może wytwarzać fale i prądy skierowane w dowolnym kierunku.

Ostatnio naukowcy z Edynburga razem z badaczami z Oksfordu zgłębiali tu sekrety mierzących ponad 25 m grzywaczy, które powstają czasem w wyniku krzyżowania się fal przemieszczających się w różnych kierunkach. Uważa się, że to właśnie one były przyczyną katastrof bardzo wielu statków. Słup wody jest natomiast wygenerowany w sposób niemożliwy do osiągnięcia w przyrodzie. To swego rodzaju odwrotność fal rozchodzących się koncentrycznie po wrzuceniu do wody kamienia. W tym przypadku fale powstają na obrzeżach zbiornika i przemieszczają się do jego środka, gdzie zderzają się i wyrzucają w powietrze dwie tony wody.

Stół do wstrząsów – Ośrodek E-Defense, Japonia

Największy na świecie „stół do wstrząsów” znajduje się w ośrodku E-Defense (E to skrót od Earth, czyli Ziemi) nieopodal japońskiego miasta Kobe. Pod mierzącą 20 na 15 m platformą zainstalowano 24 pneumatyczne tłoki, dzięki którym inżynierowie mogą poruszać pełnowymiarowymi modelami budynków w trzech płaszczyznach, z siłą równą trzęsieniom ziemi. Dr Maria Koliou, inżynierka z Texas A&M University, odwiedziła to miejsce w lutym 2019 r.

Miała okazję pospacerować po w pełni umeblowanych drewnianych domach, a potem obserwować, jak jej japońscy koledzy poddają je testowym wstrząsom, imitując m.in. trzęsienie ziemi o magnitudzie 6,9, które w 1995 r. zniszczyło w Kobe aż 150 tys. budynków. – To było imponujące – przyznaje Koliou. – Nigdy wcześniej nie widziałam testów na taką skalę. Budynek wyposażono nawet w osadzone w gruncie rury, by lepiej odtworzyć rzeczywiste warunki. Japońscy naukowcy badają w ten sposób uszkodzenia domów, by określić, w jak firmy budowlane mogą zabezpieczyć konstrukcje na wypadek trzęsień ziemi.

Pogoda na życzenie – Ośrodek testowy Scanii, Szwecja

W tym niezwykłym laboratorium w szwedzkim Södertälje ludzie potrafią okiełznać pogodę. Zbudowany w trzy lata na zamówienie produkującej ciężarówki firmy Scania ośrodek kosztował równowartość ponad 170 mln zł i umożliwia testowanie ogromnych pojazdów w najtrudniejszych warunkach pogodowych. Zaspy usypano za pomocą armatek używanych w ośrodkach narciarskich, a wiatrak wysokości 3,75 m może generować podmuchy analogiczne do występujących podczas zamieci śnieżnych.

Wystarczy jednak zmienić ustawienia, by odtworzyć tu warunki przypominające pustynny upał. W ośrodku można uzyskać temperatury od –35 do 50 st. C i wilgotność od 5 do 95 proc., a regulacja obejmuje nawet rozmiar kropli sztucznego deszczu. Umieszczone pod samochodem rolki pozwalają na symulowanie jego prędkości do 100 km/godz. i badanie takich parametrów jak widoczność czy działanie wycieraczek oraz reakcji poszczególnych podzespołów auta na pogodę. Inżynierowie liczą też, że uda im się zoptymalizować zużycie paliwa w trudnych warunkach, a tym samym zmniejszyć emisję szkodliwych substancji.

Filmy o zjawiskach przyrody: TOP 7, które choć raz w życiu powinien obejrzeć absolutnie każdy

Ziemia niejedno ma oblicze i nieustannie zaskakuje nieprzewidywalnością oraz nieposkromioną siłą. Oto filmy o zjawiskach przyrody, a więc o burzach, tornadach czy tajfunach, dzięki którym d...

Przepis na lawę – Uniwersytet w Buffalo, Stany Zjednoczone

Jak upichcić w laboratorium wulkaniczną lawę? Zespół badaczy z Uniwersytetu w Buffalo w stanie Nowy Jork zna przepis: kawałek bazaltu objętości 45 litrów włóż do pieca, piecz 4 godziny aż do uzyskania temperatury 1316 st. C, a następnie przelej do uszczelnionego pojemnika ze stali. Na zdjęciu widać, jak wulkanolog Ingo Sonder podgrzewa lawę. Jego eksperyment ma sprawdzić przebieg „podstawowych procesów fizycznych towarzyszących uwięzieniu wody w stopionej skale”.

Zbadanie takich zjawisk umożliwi naukowcom lepsze zrozumienie erupcji podobnych do tej, która w 2010 r. wywołała na Islandii powstanie obłoków wulkanicznego pyłu. Wody z topniejącego lodowca spłynęły wówczas do wybuchającego wulkanu Eyjafjallajökull, a popioły zostały wyrzucone na wysokość 9 km, niemal całkowicie paraliżując ruch lotniczy nad Europą przez aż pięć dni. Dzięki eksperymentom z wodą wstrzykiwaną do lawy laboratoryjnej zespół Sondera odkrył, że do spontanicznych erupcji dochodzi łatwiej, jeśli ciecz styka się z lawą na głębokości 30 cm lub większej. Jeśli kontakt nastąpi płycej, woda może wydostać się na powierzchnię jako para bez powodowania eksplozji.

Ściana wiatru – Floryda

Silniki napędzające te wiatraki mają moc równą ośmiu mknącym z maksymalną prędkością bolidom Mercedesa Formuły 1. Potrafią wygenerować podmuchy takie jak podczas huraganu Katrina, który w 2005 r. spustoszył Nowy Orlean. Naukowcy z Florida International University wykorzystują ścianę wiatru (Wall of Wind) do testowania odporności materiałów budowlanych czy paneli słonecznych na silny wiatr. Każdy z wiatraków ma osobny system sterowania i może obracać się nawet 1800 razy na minutę, wytwarzając podmuchy dochodzące do 253 km/godz. (czyli imitujące huragan o najwyższej, 5. kategorii w skali Saffira-Simpsona).

Badane obiekty umieszcza się na obrotowym podeście na wprost turbin, a ukryci w bezpiecznym miejscu naukowcy obserwują przebieg testu na ekranach. Badano tu m.in. pomniejszone modele elementów mostów, by opracować konstrukcje odporne na huraganowe wiatry. Sprawdzano też, jak silne podmuchy są potrzebne do zerwania z budynku blaszanego dachu.

Symulator pożarów lasu – Kalifornia

Pożary lasów rozprzestrzeniają się błyskawicznie – także w tym specjalnie zaprojektowanym tunelu aerodynamicznym w hrabstwie Chester na południu Kalifornii. Jest on częścią sześciopiętrowego ośrodka Insurance Institute for Business and Home Safety (IBHS), czyli instytucji badawczej amerykańskiej branży ubezpieczeniowej. W tunelu sprawdza się, w jaki sposób wiatr może przenosić iskry i drobinki żaru w formie „ognistych podmuchów” towarzyszących czasem pożarom lasów i zagrażających budynkom.

Rozżarzone drobinki, wytwarzane w komorach wypełnionych drewnem i słomą, są wydmuchiwane w tunelu z metalowych rusztów. Budynki umieszcza się na obrotowej platformie, dzięki czemu można symulować ogniste podmuchy nadciągające z różnych kierunków. Naukowcy badają, w jaki sposób iskry i żar przedostają się do środka przez otwory wentylacyjne oraz jak ogień rozprzestrzenia się po dachach wraz z oderwanymi przez wiatr fragmentami domów

Sposób na ścianę – Debris Impact Facility, Teksas

Nie da się przebić ceglanej ściany strzałem z pistoletu. A gdyby tak wypalić w nią belką? To może się udać! Belka roztrzaskuje się co prawda z hukiem, ale to dlatego, że porusza się zbyt wolno. Gdyby wystrzelić ją z działka pneumatycznego z prędkością 160 km/godz., przebiłaby mur bez trudu. Udowodnili to badacze z Debris Impact Facility na Texas Tech University w Lubbok w Teksasie. Pocisk z pistoletu porusza się co prawda szybciej, ale belka ma większą masę, więc jej uderzenie jest silniejsze.

Uzmysławia to, jak niebezpieczne są szczątki domów rozrzucane przez tornado. Naukowcy używają działka do badania siły rażenia różnych obiektów, którym nadają prędkość nawet 400 km/godz. Testują w ten sposób schrony i bezpieczne pokoje (safe rooms), a także wytrzymałość okien i drzwi.