Новый алгоритм поможет предсказать экстремальные стихийные события
Новый компьютерный алгоритм ученых из Массачусетского технологического института поможет предсказать экстремальные возмущения в потоках жидкости и газа. Статья исследователей опубликована в журнале Science Advances.
Многие экстремальные события, такие как волны-убийцы (гигантские одиночные волны высотой около 30 метров) или нестабильности в воздушном потоке, происходят, на первый взгляд, без предупреждения. Чаще всего невозможно предсказать, когда они возникнут, особенно если речь идет о сложных изменчивых системах. Однако американские математики, авторы новой статьи, разработали вероятностный алгоритм для выявления шаблонов, которые предшествуют экстремальному событию.
В основе алгоритма исследователей лежит сочетание наблюдательных данных и динамических уравнений. Обычно ученые в подобных моделях опираются только на математические уравнения, решение которых позволяет предсказывать, как поведет себя система в будущем. Однако, по словам авторов статьи, физика некоторых экстремальных событий слишком сложна и не до конца изучена, а это может привести к возникновению ошибок при моделировании.
Иногда уравнения могут предсказывать нереалистичные состояния исследуемой физической системы, а иногда требуют наличия слишком большого количества «предвестников» экстремальных событий, которые тоже вряд ли возникнут в повседневной жизни. Чтобы сделать предсказания алгоритма более правдоподобными, ученые использовали данные о системах, встречающихся в реальном мире. Это помогло отсеять потенциальные ошибки.
Трехмерный рендер потока Колмогорова. Science, 2017
Исследователи протестировали программу на симуляции потока Колмогорова. В свое время математик использовал его в качестве модели, которая помогала описать переход системы от ламинарного состояния к турбулентному. При достаточно больших числах Рейнольдса в этом потоке могут возникать масштабные возмущения. Алгоритм исследователей показал, что нестабильности в потоке возникают не из-за внешних воздействий, а из-за внутреннего нелинейного обмена энергией. В итоге, авторы статьи выделили предпосылку, а именно случай взаимодействия двух волн в потоке с образованием третьей, ведущую к возникновению экстремальных событий в 75−99 процентах случаев в зависимости от сложности моделируемой системы.
По словам одного из авторов работы, новый алгоритм подходит для большого числа систем, где может произойти катастрофа. Это объясняется тем, что турбулентность часто встречается в природе, — ее можно наблюдать в потоках газа и жидкости, например в движении воздуха в земной атмосфере или воды в морях, — а также в технических устройствах. В будущем ученые планируют применить алгоритм в сценариях, где жидкость встречается с препятствием или стеной. Их примерами могут служит воздушные потоки вокруг самолетов и океанические течения, встречающие нефтяные платформы.