Je leest:

Cyclonen voorspellen met een zeepbel

Cyclonen voorspellen met een zeepbel

Auteur: | 23 januari 2014

Zeepbellen geven inzicht in het ontstaan en verloop van tropische stormen. Met experimenten en wiskundige modellen ontdekten Franse onderzoekers belangrijke eigenschappen van draaikolken in zeepbellen, die ook gebruikt kunnen worden voor verwoestende tropische stormen.

Een tijdje terug sloeg een van de allerzwaarste cyclonen ooit tegen de Filipijnen aan. De gevolgen zijn dagenlang op televisie te zien geweest: hele steden weggevaagd en duizenden mensen dakloos. En dat terwijl de Filipijnen een goed waarschuwingssysteem hebben om cyclonen zo vroeg mogelijk aan te zien komen. Blijkbaar was deze cycloon te plotseling ontstaan en bewoog hij te snel om voorbereidingen te treffen.

De gevolgen van een tropische cycloon: door Haiyan is een hele stad met de grond gelijk gemaakt.

Dat moet anders kunnen. Want hoewel weerkundigen ongeveer snappen hoe cyclonen ontstaan, is de precieze toedracht nog onduidelijk. Zo bestaan er nog geen écht goede computermodellen om een potentiële cycloon na te bootsen en zo voorspellingen te doen.

Zeepbel als cycloon

Onderzoekers van twee Franse universiteiten hebben nu een nieuw idee: ze laten zien dat een zeepbel kan dienen als model voor een cycloon. Door zeepbellen van onderop te verhitten, ontstaan er vortices (het meervoud van vortex, een draaikolkje van water of lucht) die je met behulp algoritmen kan onderzoeken, om uiteindelijk hun toekomstige bewegingen te voorspellen.

Deze methode beschrijven de vloeistofexperts in het wetenschappelijk tijdschrift Scientific Reports. Allereerst wilden ze weten hoe het precies zat met de vortex op de bel: ze onderzochten hoe de ‘flow’ over de zeepbel trok en de levensduur. Daarbij onderscheidden ze twee situaties: in één draaide de zeepbel niet rond. In de andere wel, dankzij een roterend plaatje onder de bel.

Zo konden de onderzoekers zien hoe zo’n rotatie – die op zee en in de lucht regelmatig aanwezig is – invloed heeft op vortices. Maar dat bleek nauwelijks zo te zijn. Rotatie of niet, de vortex ontstond op dezelfde wijze en volgde ook min of meer dezelfde route over de zeepbel: vanuit het midden steeds sneller naar buiten, om uiteindelijk samen met andere kleine draaikolkjes tot één grote cirkel te versmelten.

Snelle luchtstromen

In een tweede experiment speelde snelheid de hoofdrol: hoe ontwikkelt een vortex zich, en onder welke omstandigheden gaat een vortex steeds sneller bewegen? Deze kennis is belangrijk om cyclonen te begrijpen. De tropische stormen ontstaan doordat luchtstromen, onder invloed van een warme, dampende oceaan, steeds sneller gaan bewegen. Hoewel die algemene ontstaansgeschiedenis van cyclonen bekend is, tasten wetenschappers in het duister over het hoe, wanneer en waarom van de versnellingen.

Hier is te zien hoe draaikolkjes zich tot één grote cycloon ontwikkelen. In plaatjes b en c zijn kleine draaiingen te zien, die uiteindelijk, in d en e, samensmelten tot één enorme draaikolk die bijna het hele oppervlak van de zeepbel beslaat.
T. Meuel, Scientific Reports, Nature

Vloeistofdynamica

Het onderzoeken van zeepbellen en de bewegingen van draaikolken valt onder de vloeistofdynamica. Dit is een vakgebied van de natuurkunde dat ook wiskundig erg interessant is. Een van de bekendere vloeistofproblemen staat bekend als de Navier-Stokes-vergelijkingen. Deze set vergelijkingen beschrijft de bewegingen van vloeistof in een driedimensionale ruimte. Deze vergelijkingen worden door natuurkundigen veel toegepast; zo is hij nuttig bij het bouwen van dammen en sluizen, bij het gieten van metaal en nog veel meer dingen.

Voor zo’n nuttige en veelgebruikte formule is het dan ook raar dat hij wiskundig (nog) niet helemaal klopt. Het is namelijk niet bewezen dat de vergelijkingen altijd een oplossing hebben en zelfs áls er altijd een oplossing is, dat deze wel ‘netjes’ is. In de praktijk blijkt dat dus geen enorm probleem, maar het heeft wel de interesse van veel wiskundigen gewekt. Niet voor niets is het aantonen dat er altijd ‘nette’ oplossingen bestaan één van de bekende Milleniumproblemen in de wiskunde, waarvoor je een miljoen dollar krijgt als je de oplossing vind.

Een tijdje terug leek het eventjes alsof het Navier-Stokes probleem opgelost was. Later bleek deze oplossing echter niet te kloppen, dus gaat de zoektocht door.

De Franse onderzoekers wilden meer cijfermatige verklaringen vinden voor de cycloon en dat is ze gelukt; met hun experimenten en formules beweren ze nu dat cyclonen eerder herkend kunnen worden, waardoor ook snel duidelijk wordt of er bewoonde gebieden in gevaar zijn. Als dit zo is, kunnen enorme rampen zoals die onlangs nog op de Filipijnen plaatsvonden misschien voorkomen kunnen worden.

Luchtfoto van cycloon Mike, die in 1990 over de Filipijnen trok. De draaikolk is goed te zien, met een oog in het midden. Hoe deze draaikolken precies ontstaan is echter nog steeds onduidelijk; daar proberen de onderzoekers nu verandering in te brengen.
Wikimedia Commons

Verschillen

Een perfecte voorspelling zal het geheel echter niet opleveren. De onderzoekers geven zelf toe dat hun experiment op belangrijke manieren verschilt van de echte cyclonen. In het bijzonder zijn de vortices op een zeepbel tweedimensionaal; ze ontstaan alleen op het platte deel van de halve bel. In cyclonen zijn de bewegingen driedimensionaal waardoor het probleem op zijn minst veel moeilijker te simuleren is. Modellen die snel en nauwkeurig de draaikolkjes op een zeepbel nabootsen, kunnen ongeschikt blijven voor ingewikkelde cyclonen.

Dat maakt het experiment met de zeepbel echter niet minder nuttig. Omdat er nog maar zo weinig bekend is over de wiskunde in een cycloon, zijn zelfs de kleinste stapjes al belangrijk. Dit is het eerste onderzoek dat de dynamiek van de cycloon op zowel experimentele als wiskundige manier probeert te begrijpen. Misschien dat we in de toekomst, met meer van dit soort onderzoeken, wél van begin tot eind de grillen van een cycloon leren kennen.

Bron:

T. Meuel e.a., ‘Intensity of vortices: from soap bubbles to hurricanes’, Scientific Reports, 13 december 2013, doi:10.1038/srep03455

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 23 januari 2014

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.