Forskere arbejder på at opdage, spore tornadoer

Den kolde piskning henover en Alabama-mark denne vintermorgen smækker varmen væk, langsomt tvinger fingre og tæer følelsesløse.

Under en kedelig, overskyet himmel, University of Mississippi-forskere vandrer over en fugtig græsgang lige nord for Huntsville, trodser frysepunktet og tjekker en række af 12 sensorer, som forskere ved UM National Center for Physical Akustik bruger i deres forskning i tornado-detektion og -sporing.

Hver sensor består af et 12-volts marinebatteri, solpanel, hvælvet forrude, nødvendige kabler og en UM-designet enhed, der optager infralydsignaler, eller infralyd – akustiske signaler ved frekvenser under, hvad mennesker kan høre. Det har været kendt i nogen tid, at tornadoer genererer disse lavfrekvente lyde, selvom den nøjagtige mekanisme for denne produktion ikke er forstået.

Men UM-forskere håber, at ved at "høre" tornadoer gennem infralyd, de kan udvikle teknologi til at revolutionere detektion og sporing af tornadoer, og i høj grad forbedre tornado-advarselsmetoder.

"Radar registrerer ikke tornadoer, " sagde Roger Waxler, en ledende videnskabsmand ved National Center for Physical Akustik, eller NCPA, og forskningslektor i fysik og astronomi ved UM. "Bølgelængderne er for lange, og de er opadvendte. Tornadoer opdages i øjeblikket ved synet. Vejrtjenesterne bruger spottere (mennesker). Radaren viser den store rotation i storme, der kan afføde tornadoer, men som ikke altid gør det.

"Disse særlige arrays bliver indsat specifikt til forskning i tornado-detektion og -sporing. Geometrien af ​​arrays er tunet til de signaler, der udsendes af tornadoer."

Selv med udviklingen inden for meteorologisk teknologi, at opdage og spore tornadoer er en næsten umulig opgave. Men mens tornadoer uforudsigeligt skyder fra mørke skyer, de voldsomme storme efterlader et tydeligt præg og varige skader, når de suser hen over et landskab.

Landsdækkende, mere end 24, 400 tornadoer er blevet rapporteret siden 2000, ifølge de nationale centre for miljøinformation. Disse tornadoer har dræbt næsten 1, 500 mennesker og resulterede i milliarder af dollars i skade.

Påskesøndag (12. april) og tidligt om morgenen mandag, en række ondskabsfulde tornadoer ramte igen dele af landet, dræbte omkring 20 mennesker i syd, inklusive mindst 11 i Mississippi, og ødelægger utallige hjem og bygninger.

Mississippi er blevet ramt af mere end 2, 700 tornadoer siden 1. januar, 1950, ifølge Storm Events Database, som vedligeholdes af National Oceanic and Atmospheric Administration, eller NOAA. Disse tornadoer, i gennemsnit næsten 39 om året, har resulteret i omkring 500 dødsfald, mere end 6, 750 kvæstelser og 2,8 milliarder dollars i ejendomsskade.

"Tornado-infralydforskningen, der foregår på NCPA, har potentiale for en betydelig indvirkning i vores region og på tværs af nationen, " sagde Josh Gladden, UMs vicekansler for forskning og sponsorerede programmer. "Mest vigtigt, det har potentialet til at udvide og forbedre tidlige varslingssystemer i vores lokalsamfund, som kunne redde liv.

"En yderligere betydelig indvirkning, imidlertid, er potentialet til at opnå meget flere sporingsdata for tornadoer, end forskerne har i øjeblikket. Dette bør føre til en forbedret forståelse af, hvilke forhold der specifikt udløser tornadoer, og hvilke stier de følger."

Infralyd på jorden

Infralydgruppen hos NCPA, ledet af Waxler, begyndte først at undersøge brugen af ​​infralyd, som typisk genereres af tornadoer, orkaner, atmosfære-hav interaktioner og eksplosioner, for to årtier siden som et middel til at opdage hemmelige atomvåbenforsøg.

Siden da, arbejdet har udvidet sig til andre områder, herunder overvågning af intensiteten af ​​orkaner langs Atlanterhavskysten, efterforskning af eksplosive begivenheder, sonderende vinde i den øvre atmosfære og tornadoforskning, som startede i 2011 med arrays indsat i Oklahoma.

Den nuværende tornado-detektion og -sporingsforskning, med titlen "Infralyddetektion af tornadoer, " startede i 2017 og er finansieret af NOAA gennem pris nr. NA17OAR4590168 og NA18OAR4590305.

Garth Frazier slutter sig til Waxler i projektet, en seniorforsker ved NCPA og UM forskningslektor i elektroteknik, og Carrick Talmadge, også seniorforsker ved NCPA og forskningslektor i kommunikationsvidenskab og lidelser.

"I løbet af de sidste to til tre år, vi har været i stand til konsekvent at demonstrere evnen til at detektere og nøjagtigt spore tornadoer, der er opstået i det nordlige Alabama med sensorarrays, der er så langt væk som (62 miles), " sagde Frazier.

"Vi forsøger stadig at indsamle tilstrækkelige data til at øge forståelsen af, hvad der forårsager, at lyden genereres, og hvordan vi sikrer, at det, vi hører, er forårsaget af en tornado og ikke kun et fænomen relateret til tordenvejr. vi er sikre på, at den lyd, vi har registreret og sporet, ikke er torden."

Trioen støttes i denne forskning af flere Ole Miss-medarbejdere, da arbejdet med at udforske, hvordan man opdager og sporer tornadoer, er meget mere end blot at klappe et array i en mark og vente på at indsamle data. Hårdt arbejde er involveret, sammen med en masse kørsel.

Det er derfor en iskald fredag ​​i februar, Hank Buchanan og Brian Carpenter, to forsknings- og udviklingsingeniører ved NCPA, er bundtet mod en skærende vind, mens de går over en græsgang ved Alabama A&M Universitys Winifred Thomas Agricultural Research Station.

De 12 sensorer i dette array, plantet ved siden af ​​en droning, travl motorvej på et stykke af stationens 972 acres i Hazel Green, er kun en række af syv, der er blevet indsat i denne sæson i en linje, der groft sagt skærer fra det nordlige Louisiana til det nordlige Alabama.

Generelt, otte til 10 arrays er implementeret hver sæson, med steder, der nogle gange strækker sig til det nordvestlige hjørne af Georgien eller tættere på hjemmet, såsom på UM Field Station, nordøst for Ole Miss campus i Lafayette County. Hvert array består normalt af omkring otte sensorer.

Det er svært at vælge en nøjagtig matrixplacering, sagde Buchanan. Uønskede placeringer omfatter områder, der kan oversvømme - vand plus elektronik er lig med døde sensorer. Temmelig åbne områder giver det nødvendige sollys til at drive sensorerne, men nogle gange nysgerrige væsner, såsom markmus, tygge gennem ledningerne. Tyveri af udstyr er ret sjældent, og det er normalt kun et batteri.

Nogle gange handler en array-placering simpelthen om, hvor forskerne kan få tilladelse til at installere den, hvilket kan være en hindring, når det kommer til privat jord. Arrays er diskrete, men trænger til vedligeholdelse, så det betyder god adgang og nogle gange flytte arrays fra førsteklasses jagtlokationer.

"Fra år til år, vi kan bruge de samme steder, hvis grundejeren er villig, og der ikke er nogen problemer med et bestemt sted, " sagde Buchanan. "Den generelle idé er at placere arrays på en måde, der maksimerer vores chancer for, at mindst et array er tæt nok på til at fange akustiske data fra en tornado, hvis en sådan skulle opstå et sted i regionen.

"Det er også fordelagtigt at have mere end ét array til at få data om den samme begivenhed. Den standard, sammen med den generelle tendens til at storme bevæger sig i en vest-til-østlig retning i vores region, efterlod os med en linje, der strækker sig fra vest til øst på tværs af det nordlige Alabama som vores foretrukne område til at implementere arrays."

Indsamling af data

Data fra arrays indsamles cirka hver sjette til ottende uge, som også giver tid til nødvendige reparationer. Som regel, det betyder, at Buchanan og en anden NCPA-medarbejder eller forsker kører gennem markerne og løvtræsskovene i Tennessee River Valley. På denne første fredag, Tømrer ledsager Buchanan.

Parret parkerer akustikcentrets Ford F-250 på en grusvej ud for U.S. 431 og går på arbejde på landbrugsforskningsstationen. På deres tjekliste downloades data fra to nylige tornadicbegivenheder i området, og de 12 sensorer skal kontrolleres.

Fra et af de første batterihuse, Tømrer ryster en mus ud, der havde gravet sig ned i kassen for at afværge kulden. Nogle af sensorerne har døde batterier, så handsker tages af, og det indviklede arbejde med at af- og påkoble ledninger er afsluttet, før fingrene bliver stive af den kolde luft.

Efter halvanden time i elementerne, arbejdet er afsluttet. En hurtig mexicansk frokost indtages - Buchanan og Carpenter mener, at en af ​​fordelene ved dette arbejde, og de lange køreture er at spise på forskellige restauranter under deres rejser.

Cirka 60 miles tilbage mod Mississippi og hjemmets varme, parret tjekker et andet array mellem Hillsboro og Moulton på en knude af en knold ned ad en mudret, rød lervej tæt på Old Time Gospel Fellowship kirken.

Disse arrays er problematiske om sommeren, fordi de normalt er bevokset med kudzu, men vinteren har brunet kudzu'en og standset dens vækst. I foråret og sommeren, udbladning af vegetationen betyder hyppigere kontrol.

"Det, der engang var et område med rigeligt solskin, kan dækkes fuldstændigt af skygge på få dage på den tid af året, " sagde Carpenter. "Batterierne, vi bruger, vil højst vare omkring 10 dage uden sollys når solpanelerne.

"Når du fungerer korrekt og modtager ideelle seks timers godt sollys om dagen, elsystemet vil køre på ubestemt tid, hvis det ikke forstyrres."

Mens ingen dyr tygger gennem ledninger på denne ensomme Alabama-bakke, kuplerne, der beskytter sensorerne mod de hårdeste elementer, giver også praktiske og noget tørre områder for brandmyrer. En sensor er nedsænket i en ildmyreseng, men de stikkende skadedyr har forladt denne høj for en ukendt, formodentlig varmere, få øje på.

At downloade data fra de enkelte sensorer betyder at finde Wi-Fi, selv midt i tilsyneladende ingen steder. De specielt oprettede sensorer er designet til nøjagtigt at optage infralydsignaler og logge dem på 1, 000 prøver i sekundet. En nøjagtig tidsreference leveres af GPS.

Sensorernes rå data er intet andet end en snoet linje, men den linje er rig på information.

"Når dataene er overført til en computer, det kan behandles ved hjælp af brugerdefinerede algoritmer, der registrerer hvornår og hvor tornadoerne er placeret, " sagde Frazier. "I fremtiden, skulle teknologien vise sig levedygtig, denne proces kan automatiseres fuldt ud for at give information i realtid."

Hvert batteri på denne bakke skal udskiftes, men dagen er blevet varm; arbejdet går hurtigt, og snart er duoen på vej mod vest på deres 160-mile vej tilbage til Oxford.

Hvad kommer dernæst

Tornadodetektions- og sporingsarbejdet fra Ole Miss-forskerne har ført til artikler i sådanne publikationer som The Journal of the Acoustical Society of America, og adskillige talende optrædener, herunder tidligere i år ved det 100. møde i American Meteorological Society i Boston.

Værket er også dukket op i nationale nyhedsmedier, såsom The Washington Post. Og forskerne har optrådt på WeatherBrains podcast og The Weather Channel for at tale om undersøgelsen.

Der skal arbejdes mere, selvom. Mere efterforsker. Flere data. Men de første resultater er lovende.

"Vi har vist, at det er muligt at detektere og spore tornadoer ved hjælp af deres infralydsemissioner, " sagde Waxler. "Vi er i øjeblikket ved at undersøge den fysiske mekanisme, hvorigennem infralyden udsendes fra en tornado, og vi analyserer data fra ikke-tornadiske storme for at se, om der er nogen infralydsignaler, der kan producere falske positiver.

"Jeg tror, ​​at med fortsat finansiering, denne forskning ville resultere i operationelle advarselssystemer inden for omkring fem år."

I mellemtiden de snesevis af sensorer, der er sat ud af UM-forskere, sidder under hvide kupler. På marker i Louisiana eller på bjergskråninger i Alabama, arrays indsamler lydløst data, der kan redde liv i fremtiden.