Rüzgarla dalgaların gizli diyaloğu

Nature Communications dergisinde yayımlanan çalışmada, Pasifik Okyanusu’nda dalga yüzeyinin hemen üzerinde gerçekleşen hava hareketleri milimetre hassasiyetinde görüntülendi. Elde edilen veriler, rüzgarın dalgaları nasıl büyüttüğüne ve atmosferle okyanus arasında enerji alışverişinin nasıl işlediğine dair doğrudan kanıtlar sundu.

Deneyler, Kaliforniya açıklarında kullanılan Floating Instrument Platform (FLIP) adlı özel bir araştırma gemisinde yapıldı. FLIP, sıradan bir gemiden farklı olarak denize bırakıldığında dikey durabilen dev bir platform. Bu özelliği sayesinde dalgalar arasında neredeyse sabit kalıyor ve deniz yüzeyinde ölçüm yapmak için eşsiz bir laboratuvar ortamı sağlıyor.

Sis zerrecikleri, rüzgarın izini ortaya çıkardı

Bilim insanları burada, dalga yüzeyinin hemen üstündeki havayı gözlemlemek için çok güçlü yeşil lazer ışıkları ve yüksek çözünürlüklü kameralar kullandı. Ancak havanın hareketini görmek için önce görünür hale getirilmesi gerekiyordu. Bunun için havaya çok küçük sis zerrecikleri (yaklaşık 15 mikrometre çapında, yani bir saç telinin kalınlığının binde biri büyüklüğünde) püskürtüldü.

Bu zerrecikler rüzgarla birlikte hareket ederken, lazer ışığıyla parladı ve kameralar onları tek tek takip etti. Kameralar saniyede onlarca kez görüntü kaydettiği için, zerreciklerin milimetre düzeyindeki yer değiştirmeleri bile kayda alındı. Sonrasında bilgisayarlar bu görüntüleri analiz ederek, havanın dalga tepelerinin hemen üzerinde nasıl hareket ettiğini, nerede hızlandığını, nerede yavaşladığını ve hangi noktalarda yön değiştirdiğini ayrıntılı şekilde ortaya çıkardı.

Bu tekniğin adı Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçümü (Particle Image Velocimetry – PIV). Kısaca, havaya karıştırılan küçük parçacıkların hareketini izleyerek görünmez hava akımlarını görünür hale getirme yöntemi. Daha önce laboratuvar ortamında küçük su tanklarında uygulanabilen bu yöntem, bu araştırmada ilk kez açık okyanusta, doğal dalgalar üzerinde başarıyla kullanıldı. Bu sayede bilim insanları, dalgaların yalnızca birkaç milimetre üzerindeki hava akımlarını bile eşsiz bir ayrıntıyla gözlemlemeyi başardı.

Küçük dalgalar rüzgarı izliyor, büyük dalgalar rüzgarı sürüklüyor

Araştırma, okyanus yüzeyinde aynı anda iki farklı etkileşim mekanizmasının işlediğini kanıtladı. Yani rüzgar ile dalga arasındaki ilişki tek bir kurala göre işlemiyor; küçük dalgalar ve büyük dalgalar farklı şekillerde enerji kazanıyor.

Öncelikle kısa ve yavaş dalgalar, yani yaklaşık bir metre uzunluğundaki küçük dalgalar incelendi. Bu dalgalar rüzgarın hızına yetişemediği için, dalga tepelerinin hemen arkasında rüzgarın gücünün zayıfladığı bir alan oluşuyor. Bilim insanları bu olaya “sheltering mekanizması” adını veriyor. Basitçe söylemek gerekirse, dalganın arka yüzü rüzgardan korunmuş oluyor. Bu bölgede hava akımı dalganın üzerinden ayrılıyor; yani rüzgar dalganın çizgisini takip edemeyip koptuğu için küçük girdaplar ve türbülanslı hareketler meydana geliyor. İşte bu küçük ama güçlü girdaplar dalgaya enerji aktarıyor ve onu büyütüyor. Rüzgar, dalgayı doğrudan itmekten çok, geride bıraktığı bu korunaklı bölgeler sayesinde onu besliyor.

Buna karşılık uzun ve hızlı dalgalar, yani onlarca metre boyunda olup rüzgardan daha hızlı yol alan büyük dalgalar, tamamen farklı bir etki gösteriyor. Bu dev dalgalar, üzerlerindeki hava akımını adeta kendi ritmine uyduruyor. Dalganın tepesine doğru yaklaşan hava aşağıya doğru çekiliyor, ardından dalganın arka kısmına geçerken yukarıya doğru itiliyor. Bu süreç, havanın yukarı-aşağı dalgalı bir hareket yapmasına neden oluyor. Yani burada rüzgar dalgayı yönlendirmiyor, tam tersine dalga kendi büyüklüğü ve hızıyla havayı şekillendiriyor.

İki teori aynı anda doğrulandı

Araştırmacılar bu gözlemleri daha geniş bir çerçevede değerlendiriyor. Dalgaların büyümesi üzerine bilim dünyasında uzun süredir iki ana teori vardı. Birincisi “kritik tabaka teorisi”; bu teoriye göre rüzgarın hızıyla dalganın hızı eşitlendiğinde oluşan ince tabaka dalgayı besleyerek büyümesini sağlıyordu. İkincisi ise “sheltering mekanizması”; dalganın arkasında rüzgardan korunan bir bölge oluşuyor ve bu sayede dalga enerji kazanıyordu. Yeni yapılan doğrudan gözlemler ise bu iki sürecin aynı anda işlediğini gösterdi: Küçük dalgalar sheltering sayesinde büyürken, büyük dalgalar rüzgarı kendi hareketleriyle yeniden şekillendiriyor.

Çalışma aynı zamanda bilim insanlarının yıllardır merak ettiği bir soruya da yanıt oldu: Yüksek rüzgar koşullarında, yani fırtınalı denizlerde, neden enerji ve gaz alışverişi belli bir noktadan sonra artmayı bırakıyor? Normalde rüzgar şiddetlendikçe daha fazla enerji ve karbondioksit okyanusa aktarılması bekleniyordu ancak ölçümler, bu aktarımın belli bir “doyum” seviyesinde durduğunu gösteriyordu.

Yeni gözlemler, bu durumun sebebinin dalga tepelerinde meydana gelen hava akımı ayrışmaları (airflow separation)olduğunu ortaya koydu. Hava dalga tepesinden koptuğunda, arka tarafta küçük ama türbülanslı bölgeler oluşuyor. Bu bölgelerde rüzgarın enerjisi tam olarak dalgaya aktarılamıyor ve adeta boşa harcanıyor. Böylece enerji ve gaz transferi, rüzgar ne kadar artsa da belli bir seviyeyi aşamıyor.

Milimetrelerde gizlenen küresel etki

Buradaki kritik nokta, sürecin yalnızca rüzgarın dalgayı itmesinden ibaret olmaması. Milimetreler ile santimetreler ölçeğinde yaşanan türbülanslı hava hareketleri, aslında devasa küresel süreçlerin temelini oluşturuyor.

Bilim insanlarına göre, dalga tepelerinin hemen üzerinde gerçekleşen bu karmaşık hava akımları, iklim modelleri için uzun süredir eksik olan halkayı tamamlıyor. Fırtınalarda enerji transferinin nasıl işlediği, karbondioksitin atmosferle okyanus arasında nasıl gidip geldiği ve iklim değişikliğinin gelecekte hangi yönde ilerleyeceği bu süreçlere bağlı.

Araştırmacılar, bu tür yüksek çözünürlüklü gözlemlerin artırılmasıyla atmosfer ve okyanus arasındaki ilişkilerin daha net anlaşılacağını vurguluyor. Onlara göre deniz yüzeyinde milimetreler ölçeğinde yaşanan bu hareketler, aslında Dünya’nın enerji dengesini ve iklimin geleceğini belirleyen temel unsurlardan biri olabilir.

Kaynak: Nature Communications