Лабораторное моделирование представляет собой один из важнейших методов в физике окружающей среды. Оно позволяет в контролируемых условиях исследовать процессы, которые в природе протекают в гораздо более масштабных и сложных формах. За счёт моделирования можно воспроизводить закономерности, проверять гипотезы, уточнять физические механизмы и прогнозировать развитие явлений.
Принцип подобия. Для корректного воспроизведения явлений необходимо соблюдение геометрического, кинематического и динамического подобия между моделью и оригиналом. Это достигается за счёт использования безразмерных критериев, таких как число Рейнольдса, число Фруда, число Маха и др.
Масштабирование параметров. Поскольку реальные природные процессы протекают при огромных масштабах пространства и времени, при построении модели используется уменьшение или увеличение размеров, скоростей, временных интервалов. Масштабные коэффициенты позволяют связать лабораторные результаты с природными.
Упрощение системы. В модели выделяют главные физические факторы, исключая второстепенные. Это позволяет сосредоточиться на ключевых механизмах явления и минимизировать погрешности, возникающие от неучтённых факторов.
Гидродинамическое моделирование. Используется для изучения движения воды в реках, морях, океанах. В лабораторных условиях создаются искусственные русла, бассейны, каналы с регулируемыми потоками. С помощью прозрачных жидкостей, красителей, частиц-трассеров исследуют турбулентность, образование вихрей, процессы переноса наносов.
Аэродинамическое моделирование. В аэродинамических трубах воспроизводят движение воздуха вокруг препятствий — горных массивов, зданий, лесных массивов. Это важно для понимания процессов вентиляции в атмосфере, распространения загрязняющих веществ, формирования облачности и осадков.
Теплофизическое моделирование. Изучаются процессы теплопередачи, конвекции, испарения и конденсации. Такие эксперименты применяются при анализе баланса энергии в системе «поверхность – атмосфера», при исследовании климатических процессов и моделировании парникового эффекта.
Геофизическое моделирование. Позволяет воспроизводить процессы в земной коре и мантии: движение тектонических плит, формирование складок, землетрясения. Используются материалы с вязкопластичными свойствами, имитирующие поведение пород при высоких давлениях и температурах.
Использование безразмерных критериев. Для исследования движения воды в русле необходимо соблюдение критерия Фруда, который связывает силы инерции и силы тяжести. Для газодинамических процессов важно число Маха, характеризующее отношение скорости потока к скорости звука.
Применение аналоговых сред. Например, для воспроизведения медленных процессов деформации земной коры применяются пластилин, силиконовые гели, которые при комнатной температуре имитируют вязкопластическое течение пород.
Физические модели с изменёнными свойствами. В экспериментах с теплопереносом могут использоваться жидкости с аномальными коэффициентами теплопроводности или вязкости, что позволяет ускорить процессы и наблюдать их в удобные временные масштабы.
Особое внимание уделяется воспроизведению процессов в океанах и реках, так как они играют ключевую роль в климате и экологии.
В области геофизики моделирование позволяет глубже понять динамику земной коры.
Преимущества:
Ограничения: