应用分享|连续谱激光器如何助力分析和预测天气？

我们的日常经验表明，当寒流在下降时暖流在上升。这种众所周知的物理现象简单的描述了热对流过程的原理，这样的过程不仅出现在自然界中也同样出现在技术应用里。在自然界里，地球大气内部的温差会引起的湍流对流，其特征是无特征且混沌的空气运动，这使得预测连续几天的天气变得困难。

近年来，出现了很多显著大规模和长时间对流模式存在的报道[1]，[2]。这些所谓的上层结构主宰着的热量和质量转移，并可能导致气流的大波动。这些上层结构是否有助于端天气情况？这仍然知之甚少。

在德国伊尔默瑙理工大学热力学和流体力学研究所，科学家们正在研究热驱动流。该小组通过使用数值模拟和实验方法研究了，在这些流动中演化出的大量模式和旋涡的大小和动力学参量。

The Rayleigh-Bénard cell（瑞利-伯纳德装置）经常被用于实验。该模型实验让科学家通过分别加热和冷却顶部和底部的板层，在边界条件下引发热对流。如果两块板之间出现高温差，则在装置内部会形成湍流，这样在时间和空间则表现出与地球大气流动相似的特性。

除了数值模拟，该小组还进行了实验以获取有关上层结构的起源和动力学的详细信息。为了确定它们对热量和质量传递的影响，必须同时测量速度和温度分布。为此，该小组使用热致变色液晶（TLC）作为示踪剂颗粒。

当TLC被白光照亮时，温度分布可以通过其颜色确定。当使用粒子图像测速法（PIV）时，速度分布可以通过确定TLC在流体中的运动来评估。

除了新的评估方法外，例如 基于神经网络[3]，连续谱激光器的重大技术进步也促进湍流对流的实验研究，因为这些光源提供了 强且空间相干的白光激光束，从而能够以非常高的空间分辨率同时测量温度和速度[4]。

该小组建立了一个由装满水的小圆柱状Rayleigh-Bénard cell组成的基于连续谱激光SUPERK LASER的RAYLEIGH-BÉNARD对流实验装置实验（请参见如下图），用于研究白光激光器对速度场和温度场的即时测量。连续谱激光器（SuperK EXTREME EXR-20，NKT Photonics）与光学短通滤光片（SuperK SPLIT，NKT Photonics）耦合后，通过产生500 nm的薄光层，对悬浮的TLC进行白光照明。

实验装置由具有悬浮热致变色液晶（TLC）的Rayleigh-Bénard cell组成，可由连续谱激光器产生的薄光层照亮。一台色敏相机用于检测从TLC散射的光。

在下面的画面中，您将看到白光激光器（SuperK EXTREME，NKT Photonics）如何从左侧照亮悬浮在Rayleigh-Bénard cell内水中的热致变色液晶（R20C20W型TLC，LCR Hallcrest）。

TLC既充当示踪剂颗粒又充当温度传感器。不但可通过应用“粒子图像测速”（PIV）确定了粒子位移，还通过评估其反射色可获取TLC的温度。

需要注意的是，配色方案与直觉相反：冷的红色羽流下降，而热的蓝色羽流上升。

参考文献

[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).