התפרצויות געשיות הן בין האירועים המרהיבים והמסוכנים ביותר של הטבע, המסוגלות להזריק מיליוני טונות של אפר וגז לאטמוספירה בתוך שעות ספורות.הפיזור של אפר געשי מציב סיכונים חמורים לתעופה, בריאות האדם, תשתיות, ואקלים עולמי.

הבנה של Fluid Dynamics (CFD)

בבסיסו, CFD הוא השימוש בשיטות מספריות לפתרון המשוואות (FLT:0Navier-Stokesמשוואות משוואות משוואות sveFLT:1), המתארות את התנועה של חומרים נוזליים כגון אוויר. עבור פיזור אפר געשיקני, משוואות אלה מתמזגות עם מודלים נוספים עבור תחבורה חלקיקים, ערבוב טורף, ואינטראקציות שלב.

  • (FLT:0) משוואות ממשל:FLT:1 השימור של מסה, מומנטום ואנרגיה מיוצגים כמשוואות שונות חלקית. באווירה, משוואות אלה כוללות תנאים לbuoyancy (בשל התפרצויות חמות), אפקטים קוריוליס (עבור תחבורה בקנה מידה גדול), וצפיפות משתנה.
  • (ב) [13] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Particle מעקב:FLT:1 חלקיקים אש הם סימולציה או כהמשך (גישה Eulerian) או כחבילות דיסקרטיות (גישה Lagrangian). שיטות Lagrangian, המשמשות לעתים קרובות ב- CFD, לעקוב אחר קבוצות חלקיקים בודדים עם תכונות כמו גודל, צפיפות, וסידור מהירות, המאפשר דפוסים קביעת מפורט כדי לחשבו.
  • (FLT:0) אי-דיוקן תזונתי: 1) התחום מחולק לרשת חישובית (mesh) שיטות נפח פיניט הן נפוצות ב-FD אטמוספירי, פתרון המשוואות בכל תא תוך שמירה על פלוקסים על פני פני פני פני פני תאים.

חבילות תוכנה CFD - מכלים קוד פתוח כמו OpenFOAM ועד קודים מסחריים כמו ANSYS Fluent - מאפשרות התאמה אישית של תנאי גבול, תנאי מקור ופיסיקה חלקיקים. כאשר חלים על אפר געשי, כלים אלה יכולים לדמות תופעות החל מצנרת מטבולית עלייה לתחבורה לטווח ארוך על פני יבשות.

מדוע אכזבות וולקניות הן אתגר קריטי

ההתפרצות של אייג'אפ'לגול באיסלנד נסגרה באופן מפורסם במרחב האווירי האירופי במשך שבועות, עלה מיליארדי דולרים וגידול מיליוני נוסעים.אש חלקיקים, במיוחד אלה קטנים מ-2 מ"מ, יכולים להישאר מושעה במשך ימים ולטייל אלפי קילומטרים.

  • (FLT:0) בטיחות שימור: 1FLT 1 אש מתמסת במנועי סילון, יצירת פיקדונות זכוכית שגורמים להבהה ונזק מבני.
  • בריאות האדם:0 Human Health:BuildFLT:1 שאיפת אפר דק (PM10 ו-PM2.5) גורמת לגירוי נשי, ליסמיוזיס ומחלות ריאות אחרות.
  • השפעות תפוצה:0 (Climate Effects: FLT:1 ,Wololic aerosols) משקפים אור שמש, לפעמים גורם קירור זמני.הרכיב הדו-חמצני של sulfur יכול ליצור סולמות סולמות שנמשכות במשך שנים בסטרטוספרה.
  • (ב) ,0) ,Infra Structure:FLT:1 התמוטטות ת'יק ממוטטת גגות, משבשת קווי חשמל, ופילטרים אוויריים קרישה מאיימת גם על תחבורה קרקעית ורשתות תקשורת.

בהתחשב סיכונים אלה, מקבלי ההחלטות דורשים תחזיות מדויקות, ברזולוציה גבוהה כדי לסגור את המרחב האווירי באופןסלקטיבי, הוראות פינוי בעיות, ופרות אמצעי הגנה. CFD מציעה נאמנות למודל אפקטים מקומיים, צנרת דופורציה, והפחתה חלקיקים - לעתים קרובות החמצו על ידי מודלים מבוססי קוסר ⁇ כמו HYSIT (למרות HYSIT נשאר יקר ערך עבור הפשטות שלה ומהירות).

מפתח עבור מודל ה-FD Volcanic Ash Model

סימולציה יעילה של פיזור אפר תלוי בשלוש קטגוריות של נתונים קלט.המאמר המקורי מפרט פרמטרים מקור, נתונים אטמוספריים ותכונות חלקיקים; אנו מרחיבים כל אחד כאן עם פרטים בעולם האמיתי.

מקור Parameters

מקור ההתפרצות חייב להיות מאופיין במדויק ככל האפשר.פרמטרים ראשיים כוללים:

  • (FLT:0) גובה העמודה והגיאומטריה:FreaLT:1 נמדד בדרך כלל על ידי מכ"ם, לוויין (למשל, באמצעות הדמיה סטריאו), או דוחות חזותיים.הגובה קובע את גובה ההזרקה, אשר משפיע ישירות על תחבורה לטווח ארוך - זרמים גבוהים יותר נכנסים למשטרים מהירים יותר.
  • שיעור ההתפרצות של (MER): LT:1 כמות החומרי שהוזרק לשניה, לעתים קרובות נגזר מגובה צנרת באמצעות מערכות יחסים אמפיריות (למשל, Mastin et al., 2009).
  • (ב) [15] ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) המיקום והטופוגרפיה: FLT:1 השפעות השטח המקומיות על עליית, במיוחד אם האוורור נמצא על מדרון או בעמק.
  • (FLT:0)Gears שבריר והרכב: FLT:1 Water vapor, CO2, SO2 משפיע על צפיפות צנרת וbuoyancy. SO2 עובר גם טרנספורמציה כימית רלוונטית להשפעות לטווח ארוך.

נתונים אטמוספריים

CFD דורש תיאור מלא של האווירה הממוקדת:

  • (FLT:0) מהירות ופרופילי כיוון:FreaLT:1 ; 3D שדות ממודלים תחזית מזג אוויר (למשל, ECMWF, GFS) ברזולוציה אופקית אנכית מתאימה.
  • (ב) ⁇ :0) קדש ולחות: (ב) 1 (לאפס) על שיעורי הצנרת וההתמדה (בשיתוף) של מוסט יכול לפסול חלקיקים אפילו יותר גבוהים.
  • (ב) ⁇ :0) תכונות שכבתיות: ⁇ 1 (FLT:1 Stancy), ערבוב גובה, מגוחות פני השטח - השפעה זו ליד ריכוז אפרים ופירוק יבש.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : 1FLT:1 Wet scavenging (rainout) מסיר אפר מהאווירה.חלק מהמודלים של CFD עם מיקרופיזיקה בענן.

Particle Properties

אש אינה חומר יחיד.תכונות מפתח להגדיר:

  • (FLT:0)Particle התפלגות גודל (PSD): LT:1 לעתים קרובות התפלגות לוואנט או רוזין-Rammler המשתרעת תת-מיקרון (0.1 μm) ל- lapilli בגודל מילימטר.השבריר הקטנה שולטת בתחבורה ארוכת טווח; השבר הקובע נופל ליד האוורור.
  • (FLT:0) רגישות וצורה: FLT:1ture זכוכית געשית יש צפיפות אמיתית של -2300-2700 ק"ג / m3, אבל חלקיקים עשויים להיות vesicular צפיפות גבוהה יותר. צורות לא מפוארות משפיעות על גרור וסידור מהירות - CFD יכול מודל זה באמצעות גורמים צורה או חלקיק פתרון.
  • (FLT:0) מהירות מהירה: 1FLT 1 קלקולה מחוקים של גרגור (למשל, מודל גנס חלקיקים לא-ספיריים) בזרימות סוערות, מהירות הטרמינל משתנה עם גובה עקב שינוי צפיפות האוויר.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : (ב) 1 (ב) חלקיקים יפים מתנגשים ומצייתים, ויצרו אגצרים גדולים יותר נופלים מהר יותר.מודלים כמו Aggregation ו-Sidmentation Eulerian Model (ASHE) עבור תהליך זה, אשר משנה מאוד את דפוס הפיקדון.
  • (FLT:0Chemicalקומפוזיציה: FLT:1 חשוב לסיכון בריאות ולחיזוי תכונות אופטיות אם יחד עם העברה קורנטיבית.

תהליך ה-CFD Modeling for Volcanic Ash Dispersion

ביצוע סימולציה CFD הוא זרימת עבודה רב-שלב, בדרך כלל מעורבים השלבים הבאים:

1. Domain Definition and Mesh Generation

הצעד הראשון הוא להגדיר דומיין מרחבי תלת מימדי המכסה את אזור ההתפרצות ואת האזור הצפוי למטה. עבור הנפילה מקומית (עשרות קילומטרים), דומיין מלבני עם החלטה של 50-500 מ' ניתן להשתמש.עבור תחבורה בקנה מידה יבשתי, רשתות מקונן או הזיכוך מעדן אדפטי (AMR) יכול לשמור על החלטה גבוהה ליד האוורור בעוד coarsing נוסף.

תנאים מוקדמים ופופולריים

התחום החישובי מחויב על ידי:

  • גבולות:0 (בהמשך) 1 (בהמשך) בצד העליון, שבו פרופילים אטמוספריים הוטלים מנתוני מזג האוויר.
  • גבולות:0 מתוך מהדורות: Downwind Side, לעתים קרובות באמצעות תנאי זרימה פתוחים כדי לאפשר את זרימת היציאה ללא השתקפות.
  • הגבול העליון:0 (איור 1: 1) בדרך כלל נקבע על ידי הרוטפופוזה או גבוה יותר, עם לחץ וטמפרטורה המפורטים.
  • (ב) ⁇ :0Ground פני השטח: הפונקציה קיר 1:1 או אורך גסות כדי לקחת בחשבון את גרור פני השטח ואת הדהורציה.

תנאים מוקדמים כוללים את רוח הרקע, טמפרטורה ושדות לחות.מקור ההתפרצות מופעל כמקור המוני של חלקיקים וגז חם במיקום האוורור, עם מהירות ראשונית וטמפרטורה מתאימה.

3.החלו את שדה הזרימה

ה-Nvier-Stokes משוואות יחד עם זעזועים ומשוואות תחבורה חלקיקים.צעדי זמן חייבים להיות קטנים מספיק כדי לפתור את התהליכים האקוסיביים והחריגים המהירים ביותר - לעתים קרובות שבריר שנייה עבור מודלים מקומיים ברזולוציה גבוהה. Simulations יכול לרוץ במשך שעות (זמן אמיתי להתפרצות מתמשכת) או במשך כמה ימים של חיזוי.

4.Particle Transport and Deposition

חלקיקים הם במעקב באמצעות הגישה Lagrangian: עבור כל חבילה המייצגת חלקיקים זהים רבים, משוואה של תנועה כוללת גרר, כבידה, buoyancy, ופיזור סוער (המודל כצעד אקראי) מתרחשת כאשר חלקיקים להכות את הקרקע או הם מתפתלים על ידי משקעים. במודלים Eulerian, ריכוז חלקיקים הוא מקודד ומבולבל, עם תנאים עבור כיור.

5. Post-Processing and Visualization

פריטים כוללים סדרות זמן של ריכוז אש בנקודות ספציפיות (למשל, שדות תעופה), מפות טעינה מסה עמודה (ליועצים תעופה), וקווי המתאר של עוביים של אבולוציה צנרת מסייעים להעביר סיכון ל un- ⁇ s. Data ניתן לייצא בפורמטים סטנדרטיים כגון NetCDF להשוואה עם ריטאלים לווייניים (למשל, מ-LTF:0SFentis 5Falator) באמצעות כלי לוויינים (TPO) ו-TPO1Pentis).

יתרונות ויישומים אמיתיים

מודלים של אפר געשי מציע מספר יתרונות על פני גישות פשוטות יותר:

  • (ב) רזולוציה מרחבית גבוהה:0) לוכדת רוח מקומית המתפרסמת בעמקים, הרמת אורתוגרפית ואפקטי התעלות עירוניים.
  • מקור:0 (Time-varying Source:FLT:1) יכול מודל התפרצויות הכפפות, אשר נפוצים, ולא להניח שיעור פליטה קבוע.
  • (ב) ניתן לכלול אינטראקציות חלקיקים:0 (Detailed חלקיקים: FLT:1 Aggregation, resuspension of Deposited ash על ידי הרוח, וטעינה אלקטרוסטטית (אשר משפיע על הגירציה).
  • (ב) אילו תרחישים: 1FLT מנהלי חירום יכולים לדמות גדלים שונים של התפרצויות, כיוונים רוח או תנאים עונתיים להכנת תוכניות שקיפות.

(ב) ,0) יישומים אמיתיים בעולם כוללים: FLT:103)

  • (ב) [15] קבוצות מחקר רבות (א') ,ב-[[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]
  • (FLT:0) הר מאנסי 2010 (דווניה): סימולציות של 1 CFD העריכו זרמי צפיפות pyroclastic ו-Ashout סביב מדרונות מאוכלסים בצפיפות, סיוע החלטות פינוי.
  • (FLT:0Volcanic Ash Advisory Centers (VAACs): מרכזי תפעול כגון ה-Volcanic Ash Advisory Centers (כגון מרכזים תפעוליים של לונדון VAAC) משתמשים בחבילה של מודלים, כולל כמה בהתבסס על עקרונות CFD (למשל, NAME, שפותח על ידי משרד החוץ הבריטי), כדי להנפיק יועצים תעופה. בעוד NAME אינו קוד CFD מלא (הוא משתמש בחלקיק Langian עם פיזור מטאורולוגי עם שדות מטאורולוגיים מטאורולוגיים מתקדמים), שמטרתו לשלב יותר.
  • (FLT:0) מיפוי הבזקים עתידיים: סימולציות פרובביליסטיות באמצעות האנסמבלים CFD מסייעות ליצור מפות סיכון לקהילות ליד הרי געש, כגון סביב הר ריינייר (ארה"ב) או פופקטאפיל (מקסיקו).

דוגמה בולטת היא השימוש במודל FLT:0 (CFD) של USGS Cascades Volcano ObservatoryFLT:1 כדי לדמות תחבורה אפר מהתפרצויות פוטנציאליות בצפון מערב האוקיינוס השקט.

אתגרים ומגבלות

למרות כוחו, ה-CDCD מדגימה של אפר געשי ניצב בפני מכשולים משמעותיים:

  • עלות גבוהה:0 (סעיפים:0) עלות גבוהה: FLT:1 סימולציות גבוהות של 3D על פני תחומים גדולים דורשות משאבים על-ידי חישובים. תרחיש אחד עשוי לקחת ימים כדי לרוץ על מאות ליבות CPU, הגבלת השימוש בזמן אמת.
  • (FLT:0) חישובים של נתונים: FLT:1hil הפרמטרים של מקור (במיוחד שיעור ההתפרצות ההמוני) הם לעתים קרובות מחוסנים באופן גרוע במהלך התפרצות מתמשכת של תחזיות מזג האוויר גם להיות פחות מדויק מ 24 עד 48 שעות.
  • (FLT:0) מורכב פיזיקה:FLT:1 אש אגרגציה אינה מובנת לחלוטין; מודלים נוכחיים הם אמפיריים ועשויים להיכשל עבור התפרצויות חריגות.בנוסף, שדות חשמליים שנוצרו על ידי tribocharging (friction) בתוך הצנרת יכולים להשפיע על מסילות חלקיקים, אך הם לעתים רחוקות כלולים.
  • (FLT:0) קשיים בהתאוששות: FLT:1hil המדידות המבוססות על הקרקע של ריכוז אפר הם ספאריאלס.ל.לחדש אתריוולים לספק מסה אפריבית, אך חסר מידע פרופיל אנכי להשוואה ישירה עם CFD.
  • (FLT:0) אתגרים נאמריים: 1FLT:1 היש חייב לפתור הן את זרימת האטמוספרי בקנה מידה גדול ואת הדינמיקה של צנרת בקנה מידה קטן - בעיה רב בקנה מידה קלאסי.

כדי להתגבר על אלה, הקהילה נעה לכיוון FLT:0 חיזוי חיזוי לוויינים בזמן אמת 1, שבו מרובים CFD פועל עם קלטות מופרכות לכמת אי ודאות.

כיוונים עתידיים

העשור הבא מבטיח התקדמות מרגשת ב-CDCD עבור אפר געשי:

  • (FLT:0GPU האצה: FLT:1 שימוש יחידות עיבוד גרפיקה, קודי CFD יכול להשיג מהירות של 10-100x, להביא סימולציות נאמנות גבוהה בתוך טווח של שימוש מבצעי בזמן אמת.
  • (FLT:0) אינטגרציה למידה של Machine:FLT:1 רשתות נילי יכול לחקות חלקים של הפיזיקה (למשל, פיזור חלקיקים או סגירה להפרעות) כדי להפחית את העלות חישובית, או יכול לעזור לייצר תנאים סינטטיים של גבול נתונים דלילים.
  • (FLT:0) מודלים של מערכת כדור הארץ: FLT:1 ,CDCD קודים אינטראקציה עם מודלים מזג אוויר (למשל, WRF-chem) ומודלים של האוקיינוס מאפשרים משוב בין אפר, אקלים, ומערכות אקולוגיות (למשל, הפסקת ברזל מנפילה).
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Urban- and Port-scale:cioFLT:1 בהחלטה גבוהה מאוד (~ 10 מ') CFD יכול לחזות פיזור אפר בתוך ערים, זיהוי אילו שכונות דורשות פינוי או צווי מגורים.
  • (ב) [13] מסגרות קוד פתוח: FLT:1eur Projects like FLT:2 OpenFOAMFLT 3 מורחבות עם מודולים אפר געשיים ספציפיים (למשל, עבור ggregation ו-Remobilization), המאפשרים ליותר חוקרים לגשת לכלים מתקדמים.

מסקנה

פיזור עננים הוא בעיה סביבתית מורכבת עם השלכות מרחיקות לכת. Computational Fluid Dynamics מספק מתודולוגיה קפדנית, מבוססת פיזיקה כדי מודל פיזור זה עם פרטים חסרי תקדים.על ידי שילוב נתונים אטמוספיריים ברזולוציה גבוהה, תכונות חלקיקים מציאותיות, מודלים מתקדמים להפרעות, CFD מניב תחזיות פעולה כי לחסוך חיים, להגן על תעופה, ולעדכן סיכונים ארוכי טווח, למרות דרישות חישוביות, עדיין לפתח נתונים פיזיים, ולפתח בעיות מהירות יותר, לפתח יכולת צפייה מהירה יותר, לפתח יכולת חשיבה יעילה יותר, לפתח יכולת צפייה מהירה יותר, ומאובטחת יעילה יותר.