Wetenschappers hopen de meest extreme orkaanomstandigheden na te bootsen

Winden huilen met meer dan 300 kilometer per uur, beuken op een twee verdiepingen tellend houten huis en scheuren het dak van de muren. Dan komt het water. Een 6 meter hoge golf overspoelt de structuur, slaat het huis van zijn fundament en spoelt het weg.

Dat is de angstaanjagende visie van onderzoekers die een nieuwe ultramoderne faciliteit plannen om de verwoesting die door de krachtigste orkanen op aarde is aangericht, opnieuw te creëren. In januari heeft de National Science Foundation een subsidie ​​van $ 12,8 miljoen toegekend aan onderzoekers om een ​​faciliteit te ontwerpen die windsnelheden van ten minste 290 km/u kan simuleren – en die tegelijkertijd dodelijke, torenhoge stormvloeden kan veroorzaken.

Er bestaat geen faciliteit die zo’n een-tweetje van extreme wind en water kan produceren. Maar het is een idee waarvoor de tijd rijp is – en geen moment te vroeg.

“Het is een race tegen de klok”, zegt rampenonderzoeker Richard Olson, directeur van onderzoek naar extreme gebeurtenissen aan de Florida International University, of FIU, in Miami.

Orkanen worden erger door door de mens veroorzaakte klimaatverandering: ze worden groter, natter, sterker en langzamer (SN: 13-09-18; SN: 11/11/20). Wetenschappers voorspellen dat het orkaanseizoen in de Atlantische Oceaan in 2022, dat van 1 juni tot 30 november loopt, het zevende opeenvolgende seizoen zal zijn met meer stormen dan gemiddeld. De afgelopen seizoenen zijn gekenmerkt door een toename van snel intensiverende orkanen in verband met opwarmend oceaanwater (SN: 21/12/20).

Die trends zullen naar verwachting aanhouden naarmate de aarde verder opwarmt, zeggen onderzoekers. En kustgemeenschappen over de hele wereld moeten weten hoe ze zich moeten voorbereiden: hoe ze constructies moeten bouwen – gebouwen, bruggen, wegen, water- en energiesystemen – die bestand zijn tegen zulke harde wind en golven.

Om bij die voorbereidingen te helpen, leiden FIU-onderzoekers een team van wind- en structurele ingenieurs, kust- en oceaaningenieurs, computationele modelbouwers en veerkrachtexperts uit de hele Verenigde Staten om uit te zoeken hoe deze kolossen het beste kunnen worden gesimuleerd. Het combineren van extreme wind- en watergolven in één faciliteit is onbekend terrein, zegt Ioannis Zisis, windingenieur bij de FIU. “Het is nodig om de grenzen te verleggen”, zegt Zisis. Maar hoe het precies moet: “Het antwoord is simpel: we weten het niet. Dat willen we uitzoeken.”

Voorbereidingen voor “Categorie 6”

Het is niet zo dat zulke extreme stormen niet op aarde zijn gezien. Alleen al in de afgelopen jaren hebben orkanen Dorian (2019) en Irma (2017) in de Atlantische Oceaan en supertyfoon Haiyan (2013) in de Stille Oceaan stormen veroorzaakt met windsnelheden van meer dan 290 km/u. Dergelijke ultra-intensieve stormen worden soms orkanen van “categorie 6” genoemd, hoewel dat geen officiële aanduiding is.

De National Oceanic and Atmospheric Administration, of NOAA, beoordeelt orkanen in de Atlantische en oostelijke Stille Oceaan op een schaal van 1 tot 5, op basis van hun windsnelheden en hoeveel schade die winden kunnen aanrichten. Elke categorie beslaat een toename van ongeveer 30 km/u.

Orkanen van categorie 1, met windsnelheden van 119 tot 153 km/u, veroorzaken “enige schade”, waarbij enkele hoogspanningslijnen worden neergehaald, bomen omvallen en misschien dakshingles of vinyl opruimen van een huis. Stormen van categorie 5, met windsnelheden vanaf 252 km/u, veroorzaken “catastrofale schade”, waarbij gebouwen worden platgewalst en buurten mogelijk weken tot maanden onbewoonbaar blijven.

Maar 5 is zo hoog als het maar kan op de officiële schaal; wat is er tenslotte verwoestender dan catastrofale schade? Dat betekent dat zelfs monsterstormen zoals de orkaan Dorian van 2019, die de Bahama’s met windsnelheden tot bijna 300 km/u platlegde, nog steeds als categorie 5 worden beschouwd (SN: 03-09-19).

“Strict genomen begrijp ik dat [NOAA doesn’t] zie de noodzaak van een categorie 6, “zegt Olson. Maar er is een verschil in de publieke perceptie, zegt hij. “Ik zie het als een ander soort storm, een storm die gewoon enger is.”

En afgezien van de labels, is de noodzaak om je voor te bereiden op deze sterkere stormen duidelijk, zegt Olson. “Ik denk niet dat iemand over twintig jaar wil uitleggen waarom we dit niet hebben gedaan”, zegt hij. “We hebben de natuur uitgedaagd. Welkom bij terugverdientijd.”

Superstorm-simulatie

FIU host al de muur van de wind, een enorme orkaansimulator gehuisvest in een grote hangar die aan het ene uiteinde is verankerd door een boog van 12 enorme gele ventilatoren. Zelfs bij lage windsnelheden, bijvoorbeeld rond de 50 km/u, genereren de ventilatoren een luid, verontrustend gezoem. Op volle kracht kunnen die ventilatoren windsnelheden tot 252 km/u genereren, wat overeenkomt met een orkaan van categorie 5 van lage kwaliteit.

Binnenin bevolken onderzoekers de hangar met structuren die wolkenkrabbers, huizen en bomen nabootsen, of vormen die de hobbels en kuilen van het grondoppervlak vertegenwoordigen. Ingenieurs van over de hele wereld bezoeken de faciliteit om de windweerstand van hun eigen creaties te testen, terwijl ze kijken hoe de wind op hun structurele ontwerpen slaat.

Het is een van de acht faciliteiten in een nationaal netwerk van laboratoria die de mogelijke effecten van wind-, water- en aardbevingsgevaren bestuderen, gezamenlijk de Amerikaanse Natural Hazards Engineering onderzoeksinfrastructuurof NHERI.

De Wall of Wind is ontworpen voor windtesten op volledige schaal van complete constructies. Een andere windmachine, gehost aan de Universiteit van Florida in Gainesville, kan inzoomen op het turbulente gedrag van winden precies op de grens tussen de atmosfeer en de grond. Dan zijn er de gigantische tsunami- en stormvloed-simulerende watergolftanks aan de Oregon State University in Corvallis.

De nieuwe faciliteit wil voortbouwen op de schouders van deze reuzen, evenals op andere experimentele laboratoria in het hele land. De ontwerpfase zal naar verwachting vier jaar duren, aangezien het team nadenkt over hoe de windsnelheden kunnen worden opgevoerd – mogelijk met meer of krachtigere fans dan de Wall of Wind’s – en hoe die stormachtige wind en enorme watertanks in één kunnen worden gecombineerd experimentele ruimte.

Bestaande laboratoria die wind en golven samen bestuderen, zij het op veel kleinere schaal, kunnen enig inzicht bieden in dat aspect van het ontwerp, zegt Forrest Masters, een windingenieur aan de Universiteit van Florida en hoofd van de NHERI-faciliteit van die instelling.

Deze ontwerpfase omvat ook het bouwen van een verkleinde versie van het toekomstige lab als proof of concept. Voor de bouw van de volledige faciliteit is een nieuwe financieringsronde en nog een aantal jaren nodig.

Vroegere benaderingen voor het bestuderen van de effecten van sterke windstormen hebben de neiging om een ​​van de volgende drie benaderingen te gebruiken: het maken van veldwaarnemingen van de nasleep van een bepaalde storm; het bouwen van experimentele faciliteiten om stormen opnieuw te creëren; en het gebruik van computationele simulaties om te visualiseren hoe die effecten zich kunnen voordoen in grote geografische regio’s. Elk van deze benaderingen heeft zijn sterke punten en zijn beperkingen, zegt Tracy Kijewski-Correa, een ingenieur voor rampenrisico’s aan de Universiteit van Notre Dame in Indiana.

“In deze faciliteit willen we al deze methodologieën samenbrengen”, zegt Kijewski-Correa, om zo dicht mogelijk bij het herscheppen van wat Moeder Natuur kan doen te komen.

Het is een uitdagend technisch probleem, maar een opwindende. “Hier is veel animo voor in de bredere wetenschappelijke gemeenschap”, zegt Masters. “Als het wordt gebouwd, zal er niets dergelijks bestaan.”