De kou die op deze winterochtend over een veld in Alabama raast, slaat de warmte weg, langzaam dwingen vingers en tenen gevoelloos.

Onder een saaie, bewolkte hemel, Onderzoekers van de Universiteit van Mississippi trekken over een vochtig weiland net ten noorden van Huntsville, de bevriezing trotseren en een reeks van 12 sensoren controleren die wetenschappers van het UM National Center for Physical Acoustics gebruiken in hun onderzoek naar tornado-detectie en -tracking.

Elke sensor bestaat uit een 12 volt scheepsaccu, zonnepaneel, koepelvormige voorruit, noodzakelijke bekabeling en een door UM ontworpen apparaat dat infrasone signalen opneemt, of infrageluid - akoestische signalen op frequenties die lager zijn dan wat mensen kunnen horen. Het is al enige tijd bekend dat tornado's deze laagfrequente geluiden genereren, hoewel het exacte mechanisme voor deze productie niet wordt begrepen.

Maar UM-onderzoekers hopen dat door tornado's te 'horen' via infrageluid, ze zouden technologie kunnen ontwikkelen om de detectie en het volgen van tornado's te revolutioneren, en de tornado-waarschuwingsmethoden aanzienlijk verbeteren.

"Radar detecteert geen tornado's, " zei Roger Waxler, een hoofdwetenschapper bij het National Center for Physical Acoustics, of NCPA, en wetenschappelijk universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde aan de UM. "De golflengten zijn te lang, en ze kijken naar boven. Tornado's worden momenteel gedetecteerd op zicht. De weerdiensten maken gebruik van spotters (mensen). De radar toont de grootschalige rotatie in stormen die tornado's kunnen veroorzaken, maar dit niet altijd doen.

"Deze specifieke arrays worden specifiek ingezet voor onderzoek naar tornado-detectie en -tracking. De geometrie van de arrays is afgestemd op de signalen die door tornado's worden uitgezonden."

Zelfs met de evolutie in meteorologische technologie, het detecteren en volgen van tornado's is een bijna onmogelijke taak. Maar terwijl tornado's onvoorspelbaar uit donkere wolken komen, de hevige stormen laten een duidelijk teken en blijvende schade achter terwijl ze door een landschap razen.

landelijk, meer dan 24, 400 tornado's zijn gemeld sinds 2000, volgens de nationale centra voor milieu-informatie. Die tornado's hebben bijna 1 gedood. 500 mensen en resulteerde in miljarden dollars aan schade.

Op Paaszondag (12 april) en tot in de vroege ochtend van maandag, een reeks wrede tornado's geteisterd opnieuw delen van het land, het doden van ongeveer 20 mensen in het zuiden, waaronder minstens 11 in Mississippi, en het vernietigen van talloze huizen en gebouwen.

Mississippi is door meer dan 2 700 tornado's sinds 1 januari 1950, volgens de Storm Events Database, die wordt onderhouden door de National Oceanic and Atmospheric Administration, of NOAA. Deze tornado's, gemiddeld bijna 39 per jaar, hebben geleid tot ongeveer 500 doden, meer dan 6, 750 gewonden en ongeveer $ 2,8 miljard aan materiële schade.

"Het tornado-infrageluidonderzoek dat plaatsvindt bij NCPA heeft het potentieel voor een aanzienlijke impact in onze regio en in het hele land, " zei Josh Gladden, UM vice-kanselier voor onderzoek en gesponsorde programma's. "Het belangrijkste is, het heeft het potentieel om systemen voor vroegtijdige waarschuwing in onze gemeenschappen te vergroten en te verbeteren, die levens kunnen redden.

"Een verdere belangrijke impact, echter, is het potentieel om veel meer trackinggegevens voor tornado's te verkrijgen dan wetenschappers momenteel hebben. Dit zou moeten leiden tot een beter begrip van welke omstandigheden specifiek tornado's veroorzaken en welke paden ze volgen."

Infrageluid op de grond

De infrageluidgroep bij NCPA, geleid door Waxler, voor het eerst begonnen met het onderzoeken van het gebruik van infrageluid, die typisch wordt gegenereerd door tornado's, orkanen, atmosfeer-oceaan interacties en explosies, twee decennia geleden als een middel om clandestiene kernwapentests op te sporen.

Vanaf dat moment, het werk is uitgebreid naar andere gebieden, inclusief het monitoren van de intensiteit van orkanen langs de Atlantische kust, forensisch onderzoek van explosieve gebeurtenissen, indringende winden in de bovenste atmosfeer en het tornado-onderzoek, die in 2011 begon met arrays die in Oklahoma werden ingezet.

Het huidige tornado-detectie- en volgonderzoek, getiteld "Infrageluiddetectie van tornado's, " startte in 2017 en wordt gefinancierd door NOAA via award nrs. NA17OAR4590168 en NA18OAR4590305.

Deelnemen aan Waxler in het project is Garth Frazier, een senior research scientist bij NCPA en UM research associate professor elektrotechniek, en Carrick Talmadge, tevens senior onderzoeker bij NCPA en universitair hoofddocent communicatiewetenschappen en stoornissen.

"In de afgelopen twee tot drie jaar we hebben consistent het vermogen kunnen aantonen om tornado's die zich in het noorden van Alabama hebben voorgedaan te detecteren en nauwkeurig te volgen met sensorarrays die zo ver weg zijn als (62 mijl), ' zei Frazier.

"We proberen nog steeds voldoende gegevens te verzamelen om beter te begrijpen waardoor het geluid wordt gegenereerd en hoe we ervoor kunnen zorgen dat wat we horen wordt veroorzaakt door een tornado en niet alleen een fenomeen dat verband houdt met onweersbuien. we zijn ervan overtuigd dat het geluid dat we hebben gedetecteerd en gevolgd, geen donder is."

Het drietal wordt in dit onderzoek ondersteund door enkele medewerkers van Ole Miss, aangezien het onderzoek naar het detecteren en volgen van tornado's veel meer is dan alleen een array in een veld ploffen en wachten om gegevens te verzamelen. Er wordt hard gewerkt, samen met veel rijden.

Daarom, op een ijskoude vrijdag in februari, Hank Buchanan en Brian Carpenter, twee onderzoeks- en ontwikkelingsingenieurs bij NCPA, worden gebundeld tegen een snijdende wind terwijl ze over een weiland lopen bij het Winifred Thomas Agricultural Research Station van Alabama A&M University.

De 12 sensoren van deze array, geplant naast een gedreun, drukke snelweg op een deel van de 972 hectare van het station in Hazel Green, zijn slechts een reeks van zeven die dit seizoen zijn ingezet in een lijn die ruwweg doorsnijdt van het noorden van Louisiana naar het noorden van Alabama.

Over het algemeen, elk seizoen worden acht tot tien arrays ingezet, met locaties die zich soms uitstrekken tot de noordwestelijke hoek van Georgië of dichter bij huis zijn, zoals bij het UM Field Station, ten noordoosten van de Ole Miss-campus in Lafayette County. Elke array bestaat meestal uit ongeveer acht sensoren.

Het kiezen van een exacte arraylocatie is lastig, zei Buchanan. Ongewenste locaties zijn onder meer gebieden die kunnen overstromen - water plus elektronica is gelijk aan dode sensoren. Vrij open gebieden zorgen voor het benodigde zonlicht om de sensoren van stroom te voorzien, maar soms nieuwsgierige beestjes, zoals veldmuizen, door de bedrading kauwen. Diefstal van apparatuur is vrij zeldzaam, en het is meestal gewoon een batterij.

Soms gaat een array-locatie gewoon over waar de onderzoekers toestemming kunnen krijgen om het te installeren, wat een hindernis kan zijn als het om privégrond gaat. De arrays zijn onopvallend maar hebben onderhoud nodig, dus dat betekent goede toegang en soms bewegende arrays van eersteklas jachtlocaties.

"Van jaar tot jaar, we kunnen dezelfde sites gebruiken als de landeigenaar dat wil en er geen problemen zijn met een bepaalde site, " Zei Buchanan. "Het algemene idee is om de arrays zo te plaatsen dat onze kansen dat ten minste één array zich dicht genoeg bij elkaar bevindt om akoestische gegevens van een tornado vast te leggen, maximaliseert als die ergens in de regio zou voorkomen.

"Het is ook gunstig om meer dan één array gegevens te hebben over dezelfde gebeurtenis. Die standaard, samen met de algemene tendens dat stormen zich in onze regio van west naar oost verplaatsen, liet ons een lijn die zich uitstrekt van west naar oost over het noorden van Alabama als ons voorkeursgebied om de arrays in te zetten."

De gegevens verzamelen

Gegevens van de arrays worden ongeveer elke zes tot acht weken verzameld, die ook een tijd biedt voor noodzakelijke reparaties. Gebruikelijk, dat betekent dat Buchanan en een ander NCPA-medewerker of -onderzoeker door de velden en hardhoutbossen van de Tennessee River Valley rijden. Op deze eerste vrijdag Timmerman begeleidt Buchanan.

Het paar parkeert de Ford F-250 van het akoestiekcentrum op een onverharde weg bij US 431 en gaat aan het werk bij het landbouwonderzoeksstation. Op hun checklist staat het downloaden van gegevens van twee recente tornado's in het gebied, en de 12 sensoren moeten worden gecontroleerd.

Van een van de eerste batterijbehuizingen, Timmerman schudt een muis uit die zich in de doos had gegraven om de kou af te weren. Sommige sensoren hebben lege batterijen, dus handschoenen gaan uit en het ingewikkelde werk van het losmaken en opnieuw aansluiten van draden is voltooid voordat de vingers stijf worden van de ijskoude lucht.

Na anderhalf uur in de elementen, het werk is voltooid. Een snelle Mexicaanse lunch wordt genuttigd - Buchanan en Carpenter geloven dat een van de voordelen van dit werk en de lange ritten is dat ze tijdens hun reizen in verschillende restaurants eten.

Ongeveer 60 mijl terug in de richting van Mississippi en de warmte van thuis, het paar controleert een andere reeks tussen Hillsboro en Moulton op een knoop van een heuvel in een modderige, rode kleiweg in de buurt van de Old Time Gospel Fellowship-kerk.

Deze arrays zijn problematisch in de zomer omdat ze meestal begroeid zijn met kudzu, maar de winter heeft de kudzu bruin gemaakt en zijn groei gestopt. In het voorjaar en de zomer, uitbladerende vegetatie betekent frequentere controles.

"Wat ooit een gebied was met veel zonneschijn, kan in die tijd van het jaar binnen een paar dagen volledig worden bedekt met schaduw, Carpenter zei. "De batterijen die we gebruiken gaan maximaal 10 dagen mee zonder dat zonlicht de zonnepanelen bereikt.

"Bij goed functioneren en het ontvangen van een ideale zes uur goed zonlicht per dag, het energiesysteem zal voor onbepaalde tijd blijven werken als het niet wordt verstoord."

Terwijl er geen dieren door de bedrading kauwen op deze eenzame heuvel in Alabama, de koepels die de sensoren beschermen tegen de zwaarste elementen, bieden ook handige en enigszins droge gebieden voor vuurmieren. Eén sensor is ondergedompeld in een vuurmierenbed, maar het stekende ongedierte heeft deze heuvel verlaten voor een onbekende, vermoedelijk warmer, plek.

Het downloaden van de gegevens van de afzonderlijke sensoren betekent het vinden van wifi, zelfs in het midden van schijnbaar nergens. De speciaal gemaakte sensoren zijn ontworpen om infrasone signalen nauwkeurig op te nemen en te loggen op 1, 000 monsters per seconde. Een nauwkeurige tijdreferentie wordt geleverd door GPS.

De ruwe data van de sensoren is niets meer dan een kronkelende lijn, maar die regel is rijk aan informatie.

"Zodra de gegevens naar een computer zijn overgebracht, het kan worden verwerkt met behulp van aangepaste algoritmen die detecteren wanneer en waar de tornado's zich bevinden, "Zei Frazier. "In de toekomst, mocht de technologie levensvatbaar blijken, dit proces kan volledig worden geautomatiseerd om realtime informatie te verstrekken."

Elke batterij op deze heuvel moet worden vervangen, maar de dag is opgewarmd; het werk gaat snel, en al snel gaat het duo naar het westen op hun 160 mijl lange weg terug naar Oxford.

Wat volgt

Het tornado-detectie- en opsporingswerk van de Ole Miss-onderzoekers heeft geleid tot artikelen in publicaties als The Journal of the Acoustical Society of America, en verschillende sprekende optredens, waaronder eerder dit jaar op de 100e bijeenkomst van de American Meteorological Society in Boston.

Het werk is ook verschenen in nationale nieuwsuitzendingen, zoals The Washington Post. En de onderzoekers zijn verschenen op de WeatherBrains-podcast en The Weather Channel om over het onderzoek te praten.

Er moet meer worden gedaan, Hoewel. Meer onderzoeken. Meer gegevens. Maar de eerste resultaten zijn veelbelovend.

"We hebben aangetoond dat het detecteren en volgen van tornado's met behulp van hun infrageluidemissies haalbaar is, "Zei Waxler. "We onderzoeken momenteel het fysieke mechanisme waardoor het infrageluid wordt uitgezonden door een tornado, en we analyseren gegevens van niet-tornadische stormen om te zien of er infrageluidsignalen zijn die valse positieven kunnen produceren.

"Ik geloof dat met voortdurende financiering, dit onderzoek zou binnen ongeveer vijf jaar resulteren in operationele waarschuwingssystemen."

In de tussentijd, de tientallen sensoren van UM-onderzoekers zitten onder witte koepels. In velden in Louisiana of op hellingen in Alabama, de arrays verzamelen in stilte gegevens die in de toekomst levens kunnen redden.