Savukkeen savukiehkura nousee usein lyhyen matkaa suoraan ja alkaa sitten kihartumaan. Kihartuva savu on niin sanotussa muutosvyöhykkeessä, muuttumassa laminaarista turbulentiksi. Virtauksen mukanaan kuljettamat pienet epätasaisuudet ovat kasvaneet niin suuriksi, ettei kitka kykene niitä enää vaimentamaan. Lopulta virtaus muuttuu täydellisen kehittyneeksi turbulenssiksi.
Tehtaan savupiipusta tai tulivuoresta nousevan savun turbulenssi on voimakasta. Sekamelska pyörteileviä epätasaisuuksia tönii, repii, kannattelee ja ohjailee toinen toistaan. Turbulenssiin liittyy tärkeitä avoimia tieteellisiä kysymyksiä ja sen perusyhtälön ratkaistavuuden todistamisesta on luvattu miljoona dollaria. Turbulenssi on myös tärkeä osa ilmastoa ja sen muutosta.
Turbulenssi liittyy arkeemme monin tavoin. Se on haitallista kun sää heiluttaa lentokonetta, laivan vanavesi lisää kitkaa tai kun se kuljettaa miljoonien asteiden lämpöistä plasmaa fuusioreaktorin seinille. Turbulenssia voidaan myös hyödyntää esimerkiksi tuuletuksessa tai kuitukokkareiden hajottamiseen paperikoneessa.
Tyypillisessä turbulentissa virtauksessa on valtavasti huomioon otettavia kokoluokkia. Suurin pyörre tai häiriö on usein miljoona kertaa pienintä leveämpi. Pinta-alaltaan suurempi on siten biljoona kertaa suurempi ja tilavuudeltaan mahdollisesti triljoona kertaa suurempi. Näin suuret mittakaavaerot selittävät sen, miksi turbulenssia on haasteellista mallintaa tietokoneella, mutta myös sen, miksi sitä on vaikea ymmärtää käsitteellisesti. Suuret pyörteet tai suihkuvirtaukset saattaa erottaa silmällä ja pienen mittakaavan pyörteet saattavat noudattaa joitakin tilastollisia lakeja. Vaikka pienten pyörteiden tilastolliset lait ilmeisesti jotenkin tukevat havaittua suurta pyörrettä, tätä yhteyttä ei aina osata selittää.
”Päät eivät edelleen aina kohtaa pienten pyörteiden ja suurten pyörteiden havaittujen tilastollisten ominaisuuksien selityksissä.”, kertoo Ilmatieteen laitoksen erikoistutkija ja Lappeenrannan teknillisen yliopiston dosentti Antti Hellsten.
(Huomautettakoon välihuomautuksena, että pyörre ja häiriö esiintyvät turbulenssista puhuttaessa usein lähes samassa tarkoituksessa. Täysin kehittyneessä turbulenssissa ei aina esiinny selkeästi erotettavissa olevia pyörteitä vaan kuva on sekavampi. Pyörteisyys tarkoittaa kuitenkin fysiikassa ylipäätään virtauskentän kaartumista.)
Hellsten on työskennellyt Teknillisen korkeakoulun (nyk. Aalto-yliopisto) lentotekniikan oppiaineessa ja sittemmin siirtynyt ilmakehän virtauslaskentaan. Hän on työskennellyt niin teoreettisten kuin soveltavien kysymysten parissa.
”Tietokoneiden kehitys on mahdollistanut turbulenttien virtausten tarkemman mallinnuksen ja myös ymmärryksen lisääntymisen vuosikymmenten varrella”, Hellsten toteaa.
Tällä hetkellä Hellsten tekee kaupunkisuunnitteluun liittyvää tutkimusta. Kaupunkien ilmavirtauksissa on tärkeää sekä mallintaa kiinnostuksen kohteena oleva alue tarkasti ja toisaalta ottaa kaukaisemmat virtaukset huomioon reunaehtoina, karkeammin mallinnettuina. Suunnitteilla olevien kaupunkibulevardien ilmansaasteiden leviäminen on yksi sovelluskohteista.
”Menetelmäkehityksemme ansiosta olemme kyenneet selvittämään, mitkä vaihtoehdot ehdotetuista katukonsepteista tuulettuvat parhaiten”, Hellsten kertoo.
Ilmastomallien, samoin kuin säämallien, kehitys perustuu osittain siihen, että tietokoneiden parantuminen mahdollistaa yhä pienempien virtausten osien huomioimisen. Esimerkiksi valon ja lämmön välittymisen kannalta tärkeä pilvisyys saadaan siten tarkemmin kuvattua. Viimeaikaiset tutkimukset antavat myös viitteitä siitä, että vuoden 1998 jälkeen entistä enemmän meren syvempiin kerroksiin kohdistunut ilmaston lämmitys on pitkälti turbulenssin ansiota.
Uudessa kahdenvälisessä suomalais-ranskalaisessa projektissa tutkimme eteläisen pallonpuoliskon jokavuotista suihkuvirtauksen haarautumista yhdestä kahdeksi kihartumisen, repeilyn, turbulenssin kautta. Yhteistyökumppanimme Freddy Bouchet ENS-Lyonilta on aiemmin tutkinut Jupiter-planeetan kaasukehän raidan katoamista tämän vuosikymmenen alussa.
Muuttuvaa ilmastoa niin meillä kuin Jupiterilla voi kuvata kreikkalaisen filosofi Herakleitoksen aforismeilla:
”Kaikki virtaa, mikään ei pysy paikallaan.” ja
”Samaan virtaan astumme emmekä astu, me emmekä me.”
