Tornadoövningar i klassrummet var rutin för Harold Brooks när han växte upp nära St. Louis, Mo. Och som många andra tyckte han att tornados var fascinerande. Vad mer är kraftfullt nog att vända över ett tåg eller kasta ett sågblad i ett träd? “Jag visste bara inte varför de var coola då”, säger han.
Nu arbetar Brooks med tornadoforskning. Han är meteorolog vid National Severe Storms Laboratory i Norman, Okla. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) och University of Oklahoma i Norman driver den anläggningen.
Läs vidare för att träffa en vetenskapsman och två ingenjörer som arbetar med vind. Brooks och hans team studerar tornados för att hjälpa människor att planera för dessa destruktiva twisters. Nettie Roozeboom och hennes grupp tittar på hur vinden påverkar flygplan, byggnader och andra strukturer. Och Kathryn Johnson och andra studerar vindkraft för att göra förnybar energi mer praktisk och kostnadseffektiv.
En del av deras forskning kan helt enkelt blåsa bort dig.
Spåra tornados
Tornado kan orsaka fruktansvärd förstörelse. Ändå börjar de med vanlig gammal vind. “De grundläggande processerna som leder till att luften rör sig i ett rum kan lyckas sätta ihop något som en tornado”, säger Brooks. Hur? Det börjar, säger han, med små skillnader i luftens densitet. För att skapa förutsättningar för en twister måste dessa skillnader vara riktigt stora och “koncentrerade till ett riktigt litet område.”
Förklarare: Varför bildas en tromb
Mycket starka tornados är mycket ovanligare än svagare. Men klimatförändringarna förändrar landets vädermönster. Och antalet och fördelningen av riktigt starka tornados har förändrats, säger Brooks och andra NOAA-forskare.
För fyrtio år sedan hade USA cirka 150 dagar varje år med minst en tornado som skulle rankas EF1 eller högre, förklarar Brooks. Ungefär vartannat år skulle det finnas en “stor dag” med fler än 30. Nu har bara cirka 100 dagar varje år minst en EF1-tornado. Men det genomsnittliga antalet dagar med minst 30 tornados har ökat till tre per år.
“Vi har inte ändrat det totala antalet tornados,” säger Brooks. Men nu, “de händer på färre dagar. Och vi har fler riktigt stora dagar.” Teamet rapporterade sina resultat i
Vetenskap
i oktober 2014.
Tornado-utsatta områden kommer att behöva fler räddningsarbetare, medicinska team, elektriska besättningar och andra arbetare om flera katastrofer inträffar samtidigt. Ombyggnaden kommer också att kosta mer om förråden är knappa. Men att ha alla dessa människor och andra resurser redo kostar pengar. Och ingen vet precis vilka områden som kommer att drabbas hårt.
Brooks arbetar också med hur man kan förutse tromber bättre. Maj och juni har i allmänhet fler tornados än andra månader. Men inte alltid. Tornado dödade 20 människor i USA i december 2015. Och vissa år är värre än andra. Brooks team hoppas kunna ta reda på hur man kan förutsäga om en säsong eller månad kommer att bli bättre eller sämre än genomsnittet för den tiden på året. Om så är fallet, frågar Brooks, “Kan vi göra det tillräckligt bra för att det faktiskt spelar någon roll?” Med andra ord, kan de göra förutsägelser som verkligen kommer att hjälpa människor?
Brooks team vill också förbättra tornadovarningarna. För närvarande handlar dessa varningar om överhängande hot: Vidta åtgärder för att skydda ditt liv nu, eller så. Snart kan meteorologer kanske göra mer exakta förutsägelser. Då kanske folk kan planera framåt med större säkerhet. “Vi är nära att ha den tekniska förmågan att kunna säga att det kommer att finnas en tornado inom några miles från dig på en timme,” säger Brooks.
Brooks älskar att arbeta med frågor som dessa. Att ta reda på svaren är ännu bättre. “Grejen med att vara vetenskapsman är att det är det där korta ögonblicket där du vet något som ingen annan på planeten någonsin har känt till tidigare,” säger han. “Och då är ditt jobb att berätta det för andra.”
Tunnel syn Vind kan orsaka problem även när det inte finns en tornado eller orkan. Vind kan göra flygande hackigt och ibland till och med dödligt. Det kan också skaka byggnader och broar. Men smart design och ingenjörskonst kan hantera många av dessa problem. Det är därför Nettie Roozeboom gör vindtunnelforskning. Hon är flygingenjör vid NASA:s Ames Research Center på Moffett Field, Kalifornien
Forskare använder olika tekniker för att “mäta och sedan fysiskt se vad som händer”, säger Roozeboom. Ibland ser de hur rök rör sig runt en modell i tunneln. Ett annat sätt att visa hur luft rör sig runt ett föremål är att mäta trycket på det. Skillnader i lufttryck över och under en vinge ger lyft, och det låter ett plan flyga. Ibland kopplar forskare elektroniska sensorer till delar av en modell för att mäta dessa tryckskillnader.
På senare tid har det verktyg Roozeboom använder mest – som hon kallar “vild och galen” – tryckkänslig färg. Så här fungerar det: Molekyler i färgen fluorescerar under ultraviolett (UV) ljus. De absorberar en del av ljusets energi och återutsänder det som synligt ljus. Som ett resultat verkar färgen glöda. Hur ljust beror på trycket från vinden. Ju mer tryck, desto mindre lyser färgen under UV-ljus. Bilder av vindtunneltestet visar var dessa tryckpunkter finns.
Dominic Hart/NASA
I en studie använde Roozeboom och hennes kollegor tekniken för att studera en typ av ostadigt vindtryck, som kallas buffring. Ett litet rektangulärt block påverkade vinden som flödade över en målad yta. Färgen visade hur det ostadiga trycket påverkade olika delar av ytan. Roozeboom rapporterade att arbetet vid mötet i januari 2016 för American Institute of Aeronautics and Astronautics. Hennes team använder också metoden för att studera hur vinden påverkar flygplan, rymdfarkoster och andra objekt.
“Du kan förstå något bättre när du ser det”, säger hon. “Jag älskar verkligen att ta bilderna och ha en produkt som visar hur trycket ser ut på vindtunnelmodellen.” En annan fördel är att färg kan täcka en hel modell. Traditionella sensorer kan missa vissa platser.
En annan nyligen genomförd studie mätte hur luft rör sig runt en flygplansvinge. Om luften inte rör sig smidigt orsakar det drag. Drag saktar ner planet och gör att det förbrukar mer bränsle. Roozebooms grupp rapporterade att arbetet vid mötet i januari 2015 för American Institute of Aeronautics and Astronautics.
Förklarare: Vad är en datormodell?
Till exempel använde ett projekt nyligen datormodeller för att undersöka hur luft strömmar där en vinge möter huvuddelen av ett flygplan. Roozeboom rapporterade att arbetet vid mötet i januari 2016 för American Institute of Aeronautics and Astronautics.
Få mer ut av vinden
Kathryn Johnson sätter vind till jobbet för att göra förnybar energi. Hon är elektroingenjör och undervisar vid Colorado School of Mines i Golden.
Grundtanken bakom ett vindturbin kan tyckas enkel. Rörlig luft snurrar bladen på en turbin. Den turbinen omvandlar sedan
mekanisk
energi till elektricitet. Men att köra massor av turbiner på en vindkraftspark är inte så enkelt. Det är där Johnson kommer in.
Helst bör kontroller för vindkraftsturbiner fungera automatiskt. “Låtsas att du har ett actiondatorspel och du ställer in ett automatiskt system” för att göra rörelser åt dig i spelet, säger hon. “Du utvecklar teorin för att i princip tillåta din karaktär i ditt spel att fatta de rätta besluten hela tiden. Jag utvecklar teorin så att turbinen fattar de rätta besluten hela tiden.”
Ofta kan det vara knepigt. För det första slår vinden inte alla turbinblad med samma hastighet. Varje turbin utvinner en del energi från vinden, förklarar Johnson. Så vinden kommer att blåsa lite långsammare vid varje turbin i följd. Skiftande vindar kan också ändra hur varje turbin påverkar sin granne.
Dessa små skillnader kan sänka energiuttaget från vissa av turbinerna. En mindre effektiv vindkraftspark är mindre lönsam. Så vindkraftsoperatörer vill göra alla turbiner så effektiva som möjligt.
För att hjälpa dem utvecklade Johnson och hennes kollegor en datormodell. Den visar hur två vindkraftverk skulle fungera tillsammans. Ingenjörer kan använda verktyget för att se hur olika justeringar kan få nedvindsturbiner att producera mer energi. Vinkeln på bladen mot den mötande vinden kan till exempel justeras.
Teamet publicerade sitt arbete i decembernumret 2015 av Wind Energy.