قام الباحثون بفك اللغز العلمي باستخدام نموذج نظري
"هنا تأتي موجة كبيرة أخرى، فقط احذر من السقوط"، يغني داني ساندرسون لجميع راكبي الأمواج في البحر. من أكثر الظواهر الطبيعية شيوعاً والمعروفة هي تشكل أمواج البحر بفعل الرياح وهبوب الهواء، ولكن تبين أنه على الرغم من أن الظاهرة المعروفة قد تمت دراستها منذ حوالي 150 عاماً - إلا أنها لا تزال حتى يومنا هذا نموذجاً رياضياً مثالياً لم يتم العثور بعد على ما يصف عملية الآلية بشكل كامل ويمكن التحقق منها تجريبياً. وطور باحثون من جامعة تل أبيب نموذجا نظريا مبتكرا والأول من نوعه يلقي الضوء على اللغز. تم تصميم النموذج لشرح عملية تكوين الموجات وتم اختباره في سلسلة من التجارب المعقدة التي تم إجراؤها على مدى فترة طويلة من الزمن. وستساعد نتائج البحث الرائد في تطوير أدوات للتنبؤ بالمناخ والقدرة على التنبؤ بحركة الملوثات على سطح الماء.
مجموعة من الترددات
يمكن وصف الموجات الميكانيكية، بما في ذلك موجات الماء، بأنها مجموعة من الترددات، تمامًا كما يمكن تقسيم اللحن إلى نوتات وتناغمات. تعتبر النماذج الأكثر شيوعًا اليوم نمو توافقي واحد، وهو الأكثر عدم استقرارًا، وتفترض أن تطوره المكاني موحد. النموذج الجديد الذي اقترحه الباحثون يأخذ في الاعتبار جميع التوافقيات غير المستقرة والقيود التي تنطبق عليها، بما في ذلك حد كسر التوافقيات شديدة الانحدار، والانحلال التدريجي نتيجة لإخفاء التوافقيات المنخفضة بواسطة موجات أعلى والتطور المكاني الحد الزمني. وبهذه الطريقة، تتيح النظرية الجديدة وصف الوضع المادي بموثوقية عالية، مقارنة بالنماذج السابقة.
الباحثون الذين قادوا البحث هم البروفيسور ليف شيمر والدكتور ميتال جيفا من مختبر موجة الماء في كلية الهندسة الميكانيكية في كلية آيفي وألدر فليشمان للهندسة. تم نشر البحث في المجلة المرموقة Physical Review Letters.
"إن تطور موجات الرياح على سطح الماء ظاهرة معقدة. أحد أسباب عدم وجود نظرية شاملة للعملية ينبع من عدم وجود نتائج تجريبية مفصلة. "قياسات مجال الأمواج والرياح في البحر محدودة للغاية، ويرجع ذلك أساسًا إلى عدم القدرة على التحكم في الظروف البيئية وصعوبة إجراء التجارب في البحر المفتوح، حتى بالقرب من الساحل"، يوضح الدكتور جيفا. "يوجد في مختبر الموجات بكلية الهندسة الميكانيكية نظام تجريبي فريد ومستقل لفحص التفاعل بين الماء والرياح، وهذا النظام يتيح جمع معلومات شاملة عن السلوك في المكان والزمان لسطح الماء تحت ظروف مختلفة. أنظمة الرياح."
التغلب على الصعوبة النظرية
المشكلة الكامنة في النظريات السابقة والتي استخدمها الباحثون في هذا المجال منذ نحو 65 عاما، تنبع من كثرة الافتراضات التي بنيت عليها وعدم قابليتها للتحقق بطريقة كمية، مما حد بشكل كبير من قدرة التحليل الفيزيائي. تنبؤ. ويضيف الباحثون أن الصعوبة النظرية التي كانت موجودة في تطوير نموذج كامل ترجع إلى أن الأشكال والأنماط الديناميكية المعقدة تنشأ في الماء وتتفاعل مع بعضها البعض وتتميز بدرجة كبيرة من العشوائية في الزمان والمكان ثلاثي الأبعاد . كما أن هناك عددًا من القوى الميكانيكية مثل الجاذبية واللزوجة والتوتر السطحي متضمنة في المشكلة، ويجب أن تؤخذ في الاعتبار انتقالات الطاقة والزخم بين الهواء والماء، وهي مسألة غير تافهة في ميكانيكا الموائع.
"في هذا البحث، ولأول مرة، نستخدم معادلات دقيقة وطرق مقبولة من مجال الميكانيكا الإحصائية من أجل تحليل العمليات العشوائية وغير الخطية التي تحدث أثناء تكوين الموجات. في الواقع فإن النموذج المقترح هو الوحيد الذي يسمح بالوصف زمانيا ومكانيا للمجال الموجي بدءا من حالة سطح الماء الأملس إلى الحالة النهائية الثابتة زمنيا، والأهم من ذلك - أنه النموذج الأول الذي تم التحقق منها بشكل كامل مقابل النتائج التجريبية وتصف العملية ليس فقط من الناحية النوعية، ولكن أيضًا من الناحية الكمية،" تشرح الدكتور جيفا النموذج الجديد وتطبيقاته.
التنبؤ بحركة التلوث في البحر
"إن تشكل موجات الرياح هو نتيجة التفاعل المتبادل بين المحيط والغلاف الجوي، وبالتالي فإن العملية لها تأثير حاسم على نقل الكتلة والزخم والطاقة عند السطح البيني لسطح الماء. وبناء على ذلك، نعتقد أن الوصف المقترح يعد خطوة مهمة في تحسين نماذج التنبؤ بالطقس على المدى القصير وتغير المناخ في أطر زمنية أطول. كما أن فهم التفاعل سيسمح بتقييم الظروف البيئية التي تؤثر على الحياة في البحر والقدرة على التنبؤ بحركة الملوثات على سطح الماء. ومع الاستنتاجات التي توصل إليها البحث، من الممكن المضي خطوة أخرى إلى الأمام في هذه المجالات، التي تتزايد أهميتها في عصر الأزمة المناخية التي نعيشها. علاوة على ذلك، من الرائع دائمًا حل الألغاز في العلوم ونحن سعداء بالنتائج،" يختتم الدكتور جيفا.
تجدر الإشارة إلى أن مختبر موجة الماء بقيادة البروفيسور ليف شيمر تم استخدامه أيضًا لسنوات للتحقق من نماذج من مجالات المعرفة الأخرى في الهندسة والفيزياء، بما في ذلك عدد من الاكتشافات الجديدة التي تم نشرها مؤخرًا مثل تركيز الظلام المماثل للمصادر من الأشعة الضوئية، بالإضافة إلى نوع جديد من الدليل الموجي، وكلاهما من عمل البروفيسور عدي أرييه من كلية الهندسة الكهربائية.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
