應用分享|超連續譜激光器如何助力分析和預測天氣？

我們的日常經驗表明，當寒流在下降時暖流在上升。這種*的物理現象簡單的描述了熱對流過程的原理，這樣的過程不僅出現在自然界中也同樣出現在技術應用里。在自然界里，地球大氣內部的溫差會引起的湍流對流，其特征是無特征且混沌的空氣運動，這使得預測連續幾天的天氣變得困難。

近年來，出現了很多顯著大規模和長時間對流模式存在的報道[1]，[2]。這些所謂的上層結構主宰著未來的熱量和質量轉移，并可能導致氣流的很大波動。這些上層結構是否有助于特殊天氣情況？這仍然知之甚少。

在德國伊爾默瑙理工大學熱力學和流體力學研究所，科學家們正在研究熱驅動流。該小組通過使用數值模擬和實驗方法研究了，在這些流動中演化出的大量模式和旋渦的大小和動力學參量。

The Rayleigh-Bénard cell（瑞利-伯納德裝置）經常被用于實驗。該模型實驗讓科學家通過分別加熱和冷卻頂部和底部的板層，在邊界條件下引發熱對流。如果兩塊板之間出現高溫差，則在裝置內部會形成湍流，這樣在時間和空間則表現出與地球大氣流動相似的特性。

除了數值模擬，該小組還進行了實驗以獲取有關上層結構的起源和動力學的詳細信息。為了確定它們對熱量和質量傳遞的影響，同時測量速度和溫度分布。為此，該小組使用熱致變色液晶（TLC）作為示蹤劑顆粒。

當TLC被白光照亮時，溫度分布可以通過其顏色確定。當使用粒子圖像測速法（PIV）時，速度分布可以通過確定TLC在流體中的運動來評估。

除了新的評估方法外，例如 基于神經網絡[3]，超連續譜激光器的重大技術進步也促進湍流對流的實驗研究，因為這些光源提供了很強且空間相干的白光激光束，從而能夠以非常高的空間分辨率同時測量溫度和速度[4]。

該小組建立了一個由裝滿水的小圓柱狀Rayleigh-Bénard cell組成的基于超連續譜激光SUPERK LASER的RAYLEIGH-BÉNARD對流實驗裝置實驗（請參見如下圖），用于研究白光激光器對速度場和溫度場的即時測量。超連續譜激光器（SuperK EXTREME EXR-20，NKT Photonics）與光學短通濾光片（SuperK SPLIT，NKT Photonics）耦合后，通過產生500 nm的薄光層，對懸浮的TLC進行白光照明。

實驗裝置由具有懸浮熱致變色液晶（TLC）的Rayleigh-Bénard cell組成，可由超連續譜激光器產生的薄光層照亮。一臺色敏相機用于檢測從TLC散射的光。

在下面的畫面中，您將看到白光激光器（SuperK EXTREME，NKT Photonics）如何從左側照亮懸浮在Rayleigh-Bénard cell內水中的熱致變色液晶（R20C20W型TLC，LCR Hallcrest）。

TLC既充當示蹤劑顆粒又充當溫度傳感器。不但可通過應用“粒子圖像測速”（PIV）確定了粒子位移，還通過評估其反射色可獲取TLC的溫度。

需要注意的是，配色方案與直覺相反：冷的紅色羽流下降，而熱的藍色羽流上升。

參考文獻

[1]  S. Emran, J. Schumacher, Large-scale mean patterns in turbulent convection, J. Fluid Mech. 776 (2015) 96–108.

[2]  Pandey, J.D. Scheel, J. Schumacher, Turbulent superstructures in Rayleigh-Bénard convection, Nat. Commun. 9 (2018) 2118.

[3]  Moller, C. Resagk, C. Cierpka, On the application of neural networks for temperature field measurements using thermochromic liquid crystals. Exp Fluids 61, 111 (2020).

[4]  König, S. Moller, N. Granzow, C. Cierpka, On the application of a supercontinuum white light laser for simultaneous measurements of temperature and velocity fields using thermochromic liquid crystals, Exp Therm Fluid Sci 109:109914 (2019).