ongeveer 1, 000 tornado's treffen elk jaar de Verenigde Staten, het veroorzaken van miljarden dollars aan schade en het doden van gemiddeld ongeveer 60 mensen. Trackinggegevens laten zien dat ze steeds vaker voorkomen in het zuidoosten, en minder vaak in "Tornado Alley, " die zich uitstrekt over de Great Plains. Wetenschappers hebben geen duidelijk begrip van hoe tornado's ontstaan, maar een meer urgente uitdaging is om nauwkeuriger voorspellings- en waarschuwingssystemen te ontwikkelen. Het vereist een fijne balans:zonder waarschuwingen, mensen kunnen niet schuilen, maar als ze te veel valse alarmen ervaren, ze zullen verhard raken.

Een manier om tornado-voorspellingstools te verbeteren, kan zijn om beter te luisteren, volgens werktuigbouwkundig ingenieur Brian Elbing aan de Oklahoma State University in Stillwater, in het hart van Tornado Alley. Hij bedoelt geen geluiden die hoorbaar zijn voor menselijke oren, Hoewel. Al in de jaren zestig, onderzoekers rapporteerden bewijs dat tornado's kenmerkende geluiden uitzenden op frequenties die buiten het bereik van het menselijk gehoor vallen. Mensen kunnen tot ongeveer 20 Hertz horen - wat klinkt als een laag gerommel - maar het lied van een tornado valt waarschijnlijk ergens tussen 1 en 10 Hertz.

Brandon Wit, een afgestudeerde student in het lab van Elbing, bespraken hun recente analyses van de infrageluidsignatuur van tornado's op de 73e jaarlijkse bijeenkomst van de afdeling Fluid Dynamics van de American Physical Society.

Elbing zei dat deze infrageluidsignaturen een veelbelovende onderzoekspiste leken, tenminste totdat radar opkwam als koplopertechnologie voor waarschuwingssystemen. Op akoestiek gebaseerde benaderingen stonden decennialang op de achtergrond. "Nu hebben we veel vooruitgang geboekt met radarsystemen en monitoring, maar er zijn nog steeds beperkingen. Radar vereist zichtlijnmetingen." Maar zichtlijn kan lastig zijn op heuvelachtige plaatsen zoals het zuidoosten, waar de meeste tornadododen voorkomen.

Misschien is het tijd om die akoestische benaderingen opnieuw te bekijken, zei Elbing. in 2017, zijn onderzoeksgroep registreerde infrageluid-uitbarstingen van een supercel die een kleine tornado veroorzaakte in de buurt van Perkins, Oklahoma. Toen ze de gegevens analyseerden, ze ontdekten dat de trillingen begonnen voordat de tornado zich vormde.

Onderzoekers weten nog weinig over de vloeistofdynamica van tornado's. "Tot op heden zijn er acht betrouwbare metingen van druk in een tornado geweest, en geen enkele klassieke theorie voorspelt ze, " zei Elbing. Hij weet niet hoe het geluid wordt geproduceerd, of, maar het kennen van de oorzaak is niet vereist voor een alarmsysteem. Het idee van een op akoestiek gebaseerd systeem is eenvoudig.

"Als ik een glas achter je laat vallen en het breekt, je hoeft je niet om te draaien om te weten wat er is gebeurd, " zei Elbing. "Dat geluid geeft je een goed gevoel van je directe omgeving." Infrageluidtrillingen kunnen zich snel over grote afstanden verplaatsen, en via verschillende media. "We konden tornado's op 100 mijl afstand detecteren."

Leden van de onderzoeksgroep van Elbing beschreven ook een sensorarray voor het detecteren van tornado's via akoestiek en presenteerden bevindingen van onderzoeken over hoe infrageluidtrillingen door de atmosfeer reizen. Het werk aan infrageluid tornado handtekeningen werd ondersteund door een subsidie ​​van NOAA.

Andere sessies tijdens de vergadering van de afdeling Fluid Dynamics gingen over manieren om extreme gebeurtenissen te bestuderen en te voorspellen. Tijdens een sessie over niet-lineaire dynamiek, MIT-ingenieur Qiqi Wang heeft het vlindereffect opnieuw bekeken, een bekend fenomeen in de vloeistofdynamica dat zich afvraagt ​​of een vlinder die met zijn vleugels klappert in Brazilië een tornado in Texas kan veroorzaken.

Wat onduidelijk is, is of de vlindervleugels kunnen leiden tot veranderingen in de oude statistieken van het klimaat. Door de vraag computationeel te onderzoeken in kleine chaotische systemen, hij ontdekte dat kleine verstoringen kunnen, inderdaad, veranderingen op de lange termijn teweegbrengen, een bevinding die suggereert dat zelfs kleine inspanningen kunnen leiden tot blijvende veranderingen in het klimaat van een systeem.

Tijdens dezelfde sessie werktuigbouwkundig ingenieur Antoine Blanchard, een postdoctoraal onderzoeker aan het MIT, introduceerde een slim bemonsteringsalgoritme dat is ontworpen om extreme gebeurtenissen te helpen kwantificeren en voorspellen, zoals extreme stormen of cyclonen, bijvoorbeeld. Extreme gebeurtenissen vinden plaats met een lage waarschijnlijkheid, hij zei, en daarom grote hoeveelheden data nodig hebben, die duur kan zijn om te genereren, rekenkundig of experimenteel. Blanchard, wiens achtergrond in de vloeistofdynamica ligt, wilde een manier vinden om uitbijters op een economischere manier te identificeren. "We proberen die gevaarlijke toestanden te identificeren met zo min mogelijk simulaties."

Het algoritme dat hij ontwierp is een soort zwarte doos:elke dynamische toestand kan als invoer worden ingevoerd, en het algoritme geeft een maat voor de gevaarlijkheid van die toestand terug.

"We proberen de deuren naar gevaar te vinden. Als je die bepaalde deur opent, blijft het systeem stil, of wordt het gek?" vroeg Blanchard. "Wat zijn de toestanden en omstandigheden - zoals weersomstandigheden, bijvoorbeeld - dat als je ze in de loop van de tijd zou ontwikkelen, een cycloon of storm zou kunnen veroorzaken?"

Blanchard zei dat hij het algoritme nog steeds aan het verfijnen is, maar hoopt het binnenkort toe te passen op echte gegevens en grootschalige experimenten. Hij zei ook dat het gevolgen kan hebben die verder gaan dan het weer, in elk systeem dat extreme gebeurtenissen veroorzaakt. "Het is een heel algemeen algoritme."