Ile kropelek może mieścić się w 1 metrze sześciennym powietrza chmurowego? Sto tysięcy? Milion? A może miliard? Prawidłowa odpowiedź brzmi: liczba kropelek chmurowych zawarta w 1 metrze sześciennym powietrza chmurowego jest rzędu 100 milionów. Kiedy i jak z tych 100 milionów kropelek chmurowych  powstaje deszcz? Nie sposób było odpowiedzieć na te pytania bez utworzenia modeli numerycznych, które rozwiązują równania opisujące procesy fizyczne zachodzące w chmurach. 

Krople chmurowe tworzą się na drobinach aerozolu, rosną na skutek kondensacji pary wodnej, a kiedy osiągną rozmiary rzędu kilkunastu mikrometrów zaczynają się zderzać ze sobą i łączyć, tworząc coraz większe krople aż do osiągnięcia rozmiaru typowego dla kropli deszczu. Typowy rozmiar kropelki chmurowej jest rzędu 10 mikrometrów, gdzie 1 mikrometr to 1 tysięczna milimetra. Pojedyncza kropla deszczu jest znacznie większa. Dla uproszczenia można przyjąć, że jej rozmiar to 1 milimetr. Zderzanie i łączenie się ze sobą tych kropelek jest najważniejszym z procesów, dzięki którym chmura produkuje deszcz. Możliwość przeprowadzania symulacji numerycznych na superszybkich komputerach umożliwia naukowcom dokładne śledzenie ruchu kropel, a w konsekwencji tworzenie poprawnego opisu całej chmury.  

Jednak nawet przy niezwykłych mocach obliczeniowych współczesnych superkomputerów nie sposób jest opisać ruchu i ewolucji wszystkich pojedynczych kropelek chmurowych, z uwagi na ich ogromną liczbę. Najefektywniejszą obecnie metodą opisu ich mikrofizyki, czyli ewolucji, jest opis tzw.  superkropelek. Superkropelki to obiekty, z których każdy reprezentuje setki lub tysiące rzeczywistych cząsteczek. Z koncepcją tą jako pierwszy na świecie wyszedł japoński badacz, prof. Shin-ichiro Shima z Uniwersytetu Hyogo w Kobe.

Prof. Shima jest specjalistą od meteorologii, fizyki obliczeniowej, dynamiki nieliniowej oraz systemów złożonych. Metodę superkropelek wyłożył w swojej pracy, opublikowanej w 2009 roku na łamach Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, pt. „The super-droplet method (SDM) for the numerical simulation of clouds and precipitation: a particle-based and probabilistic microphysics model coupled with a non-hydrostatic model”. 

Nowe numeryczne metody opisu kropel chmurowych, a w szczególności metoda superkropelek prof. Shin-ichiro Shimy, uznana za przełomową dla opisu mikrofizyki chmur, w połączeniu z mocami obliczeniowymi superszybkich komputerów XXI wieku, pozwalają odpowiedzieć z coraz większą precyzją i pewnością na pytania: jak i kiedy powstaje deszcz? Jaka będzie pogoda? Jak zmieniać będzie się klimat, zarówno w skali regionu, jak i całej planety?

W 2010 roku Sylwester Arabas, ówczesny doktorant w grupie badawczej prof. Hanny Pawłowskiej w Instytucie Geofizyki FUW, wielki entuzjasta Kraju Kwitnącej Wiśni, wyjechał na staż do The Earth Simulator Center w Yokohamie i Meteorological Research Institute w Tsukubie (2010). Między Sylwestrem a prof. Shimą zawiązała się owocna współpraca, stąd jeszcze kilkukrotne późniejsze wizyty Sylwestra na Uniwersytecie Hyogo w Kobe (2015, 2018, 2019) oraz w Global Cloud Resolving Modelling at RIKEN (2014).

Czytaj dalej (plik PDF)