Przepływy w zmianach klimatu

Naukowcy z Airbus, DLR i BTU w pomieszczeniu czystym Airbus Defence and Space (ADS) w Friedrichshafen przed częściami sprzętu eksperymentu AtmoFlow. Z zespołu BTU: Dr. Peter Szabo (3. od lewej), Simon Kühne (4. od lewej), Dr. Vadim Travnikov (6. od lewej), Peter Haun (6. od prawej), Prof. Christoph Egbers (5. od prawej) i Yann Gaillard-Röpke (4. od prawej). (Zdjęcie: ADS/Dr. Astrid Adrian) / Naukowcy z Airbus, DLR i BTU w pomieszczeniu czystym Airbus Defense and Space (ADS) w Friedrichshafen przed częściami sprzętu eksperymentu Atmoflow. Z zespołu BTU: Dr. Peter Szabo (3. od lewej), Simon Kühne (4. od lewej), Dr. Vadim Travnikov (6. od lewej), Peter Haun (6. od prawej), Prof. Christoph Egbers (5. od prawej) i Yann Gaillard-Röpke (4. od prawej). (Zdjęcie: ADS/Dr. Astrid Adrian)

Unikalny eksperyment, który może być przeprowadzony wyłącznie w stanie nieważkości, ma na celu zbadanie wpływu globalnego ocieplenia na bieguny Ziemi oraz związane z tym zmiany w cyrkulacji powietrza i oceanów.

W lutym 2024 roku rozpoczęła się druga faza projektu DLR „AtmoFlow”. AtmoFlow oznacza naukowe badania konwekcyjnej cyrkulacji w systemie kulistym, który jest analogiem do planetarnych pól cyrkulacyjnych”, wyjaśnia prof. dr-inż. Christoph Egbers, kierujący projektem. Okres finansowania obejmuje trzy lata, a suma dofinansowania wynosi blisko 680 000 euro.

Badania cyrkulacji powietrza BTU po raz trzeci w kosmosie

Za pomocą AtmoFlow już po raz trzeci wystrzelony zostanie eksperyment na pokładzie stacji kosmicznej, koordynowany naukowo i technologicznie przez BTU. Eksperymenty poprzedzające, GeoFlow I (2008-2009) i GeoFlow II (2011-2018), zostały już bardzo pomyślnie przygotowane i przeprowadzone z Cottbus. Prof. dr-inż. Christoph Egbers, kierownik Katedry Aerodynamiki i Mechaniki Płynów na BTU oraz kierownik wszystkich trzech projektów, z entuzjazmem wyjaśnia: „To jest coś bardzo wyjątkowego. Niewiele niemieckich uniwersytetów brało udział w tak wielu eksperymentach na stacjach kosmicznych przez ponad 20 lat.” Do tego dochodzą liczne eksperymenty naziemne, loty parabologiczne oraz badania rakietowe, podczas których przez krótki czas panuje stan nieważkości. Nowy projekt DLR umożliwi finansowanie trzech kolejnych stanowisk dla naukowców.

Mini-Ziemia na ISS

Głównym celem eksperymentu Atmospherical Flow (AtmoFlow) jest badanie atmosferycznych, konwekcyjnych przepływów w kulistym układzie. Eksperymenty w kulistym układzie są szeroko stosowane w dziedzinach geofizyki, astrofizyki i szczególnie w badaniach atmosfery i mają kluczowe znaczenie. Szczególnością techniki BTU jest jej geometria kulista, w odróżnieniu od innych często płaskich, kartezjańskich eksperymentów.

W AtmoFlow mają być badane przepływy w geometrii sferycznej pod wpływem centralnego pola sił („Mini-Ziemia”), które są wystawione na warunki zbliżone do atmosfery. Ta konfiguracja eksperymentalna nie może być zrealizowana na Ziemi, ponieważ jej pole grawitacyjne zakłóca sztuczne pole sił modelu. W warunkach mikro-grawitacji, czyli w zbliżonym do nieważkości środowisku, modelowe pole sił może symulować konwekcję – przepływy podobne do tych występujących w atmosferze Ziemi, oceanach czy w obrębie płaszcza magmowego.

Równocześnie i komplementarnie, dr inż. Vadim Travnikov, naukowiec z zespołu prof. Egbersa, od stycznia 2024 roku pracuje nad modelem CFD (Computational Fluid Dynamics) opisującym hydrodynamikę. Model ten ma opisywać formy i wzajemne oddziaływania atmosferycznych przepływów Ziemi. Za pomocą analizy stabilności naukowiec dowiaduje się więcej o stanie przepływu. W ten sposób może wykryć, kiedy niestabilność prowadzi do przejścia w stan turbulencji, który w atmosferze Ziemi objawia się na przykład tornadem. „Interesuje nas, jak przepływy zmieniają się na świecie wraz z globalnym ociepleniem”, mówi naukowiec. „Dzięki tej wiedzy meteorolodzy mogą dokładniej prognozować lokalny klimat.” Wyniki tych badań będą stanowiły część projektu AtmoFlow, który bada planetarne i atmosferyczne przepływy na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).

Obecnie planowany lot na ISS na 2026 lub 2027 rok

Celem projektu BTU jest opracowanie modelu symulacyjnego, który na podstawie danych z modelu kulistego oblicza procesy konwekcyjne w atmosferze. Poprzez zmianę warunków brzegowych – na przykład wyższe temperatury na biegunach północnym i południowym – można tym modelem symulować wpływ zmian klimatycznych na procesy przepływowe i oszacować potencjalne skutki. Zespół nadal tworzą dr Peter Szabo, mag. Peter Haun, mag. Yaraslau Sliavin i mag. Yann Gaillard-Röpke.

Tło

Rosja, USA, Japonia i Europa wspólnie obsługują ISS i jej moduły badawcze co najmniej do roku 2030. Samo z Niemiec pochodzi 40-50 eksperymentów z różnych dziedzin i instytucji, przeprowadzanych w stanie nieważkości na stacji kosmicznej.