Везде ли может проникнуть человеческий разум? Где граница его возможностей и есть ли она? Как отделить вымысел от реальности? Чем больше вопросов мы задаем, тем больше их возникает на горизонте нашего сознания. Чем больше мы узнаем окружающий мир, тем меньше мы его знаем. Парадокс, отмеченный многими учеными и естествоиспытателями. На грани, где физические возможности человека и его инструментов становятся бессильными человек создает могущественные аналитические методы исследований на основе математического моделирования, строит гигантские вычислительные системы и, не смотря на естественные преграды, продолжает путь познания. Даже колоссальный атмосферный вихрь в виде торнадо не остался не изученным и был познан с помощью усилия разума всего человечества. Чтобы решить столь масштабную задачу тысячам ученых и инженеров за 300 лет пришлось создать стройную математическую теорию сплошных сред, собрать и обработать, огромное количество доступных методам исследования экспериментальных данных, создать мощные вычислительные методы, разработать и воплотить в железе могучие вычислительные машины и средства работы с ними.

В результате мы смогли заглянуть внутрь торнадо и понять механизмы его работы. Предлагаем вашему вниманию демонстрацию результатов математического моделирования торнадо на недавно созданной великолепной математической модели.Торнадо до сих пор остается малопонятным атмосферным явлением, и основная загвоздка состоит как раз в том, что его очень трудно изучать экспериментально. Торнадо возникают достаточно часто, однако предугадать, где именно он возникнет в следующий раз, невозможно, и потому за торнадо приходится «гоняться».

Подвижные лаборатории, которые используются в таких погонях, слишком хрупки и разрушаются раньше, чем успевают достичь центра торнадо и приступить к его изучению. Получить торнадо в лаборатории в контролируемых условиях тоже пока не удалось: для этого потребовалась бы экспериментальная установка размером в сотни метров. Вся доступная на сегодняшний день проверенная информация о физических условиях в центре торнадо получена непрямым методом. Благодаря радарным наблюдениям издалека удается измерить скорости вращения воздуха в торнадо и на основании этого уже делать выводы о его внутреннем устройстве. Поэтому математическое моделирование является чуть ли не единственным эффективным инструментом изучения торнадо.

Заметим, кстати, что возникает удивительная ситуация: для изучения торнадо пока что используются методы … астрономии. Будучи не в силах ни «залезть» в само явление, ни воспроизвести природные условия в лаборатории, мы вынуждены просто внимательно наблюдать за торнадо, пытаясь на основании наблюдений понять его природу. Именно таков подход астрономии.

Грозовые суперячейки (Supercell thunderstorms) — это гигантские воздушные бури, в центре которых находятся сильные вращающиеся восходящие потоки воздуха. Каждая из таких ячеек является «зародышем» торнадо, каждый четвертый-пятый торнадо имеет именно такое происхождение.

И для того, чтобы иметь возможность более точного прогнозирования появления столь разрушительных явлений природы, ученые-метеорологи постоянно занимаются изучением процессов формирования торнадо. Однако, моделирование грозовой суперячейки, которая затем превратится в торнадо, основывается на данных, объем которых исчисляется терабайтами, и такая задача является посильной лишь для современных мощных суперкомпьютеров.

Одну из самых масштабных и точных моделей торнадо составила группа исследователей из университета Висконсина в Мэдисоне (University of Wisconsin at Madison), возглавляемая Ли Орфом (Leigh Orf). А за основу этой модели были взяты данные реального случая, шторма, суперячейка которого имела высоту в 20 километров, и который бушевал в центральной Оклахоме в 2011 году.

«Цифровая версия этого природного явления, имеющая самую высокую на сегодняшний день разрешающую способность, позволяет нам во всех деталях рассмотреть внутреннее устройство суперячейки» — рассказывает Ли Орф, — «Но самым интересным для нас стал момент превращения суперячейки в торнадо».

Виртуальное пространство математической модели было разделено на 2 миллиарда частей, точнее на 1 839 200 000 частей. Каждая из этих частей представляла собой куб с длиной ребра в 30 метров, для которого в модели хранился набор данных, таких, как скорость и направление ветра, температура воздуха, атмосферное давление, влажность и т.п.

Созданная модель охватывала область виртуального пространства, размерами 120 на 120 километров и 20 километров высотой. «Цифровая буря» в недрах суперкомпьютера «завелась» вручную, когда в центр пространства был искусственно введен восходящий поток.

А затем суперкомпьютер следовал законам физики, а в виртуальном пространстве модели, в соответствии с этими законами, развивалась суперячейка, превратившаяся потом в торнадо.

Для моделирования столь масштабной модели потребовалась весьма немалая вычислительная мощность, которая была предоставлена 20 тысячами вычислительных ядер суперкомпьютера Blue Waters, находящегося в распоряжении университета Иллинойса.

Для справки, всего в этом компьютере насчитывается 800 тысяч вычислительных ядер, так что на расчеты модели торнадо была выделена не очень большая часть мощности суперкомпьютера. Расчеты модели торнадо производились на протяжении 30 часов времени, а объем полученных данных превысил 400 терабайт.

Источники: http://my-mobil.ru/, https://elementy.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!