Cirka 1, 000 tornados drabbar USA varje år, orsakar miljarder dollar i skador och dödar cirka 60 människor i genomsnitt. Spårningsdata visar att de blir allt vanligare i sydost, och mindre frekvent i "Tornado Alley, " som sträcker sig över Great Plains. Forskare saknar en klar förståelse för hur tornados bildas, men en mer akut utmaning är att utveckla mer exakta förutsägelse- och varningssystem. Det kräver en fin balans:Utan varningar, människor kan inte ta skydd, men om de upplever för många falsklarm, de kommer att bli försäkrade.

Ett sätt att förbättra trombprediktionsverktyg kan vara att lyssna bättre, enligt maskiningenjör Brian Elbing vid Oklahoma State University i Stillwater, i hjärtat av Tornado Alley. Han menar inte några ljud hörbara för mänskliga öron, fastän. Så länge sedan som 1960-talet, forskare rapporterade bevis för att tornados avger signaturljud vid frekvenser som faller utanför området för mänsklig hörsel. Människor kan höra ner till cirka 20 Hertz – vilket låter som ett lågt muller – men en tornados sång faller troligen någonstans mellan 1 och 10 Hertz.

Brandon White, en doktorand i Elbings labb, diskuterade sina senaste analyser av tornados infraljudsignatur vid det 73:e årsmötet för American Physical Society's Division of Fluid Dynamics.

Elbing sa att dessa infraljudssignaturer hade verkat som en lovande forskningsväg, åtminstone tills radarn dök upp som en föregångsteknik för varningssystem. Akustiskt baserade tillvägagångssätt tog ett baksäte i decennier. "Nu har vi gjort många framsteg med radarsystem och övervakning, men det finns fortfarande begränsningar. Radar kräver siktlinjemätningar." Men siktlinje kan vara knepigt på kuperade platser som sydost, där majoriteten av tornadodödsfall inträffar.

Kanske är det dags att se över de akustiska metoderna, sa Elbing. Under 2017, hans forskargrupp spelade in infraljudsskurar från en supercell som producerade en liten tromb nära Perkins, Oklahoma. När de analyserade data, de upptäckte att vibrationerna började innan tromben bildades.

Forskare vet fortfarande lite om vätskedynamiken hos tornados. "Hintills har det funnits åtta pålitliga mätningar av tryck inuti en tromb, och ingen klassisk teori förutsäger dem, sa Elbing. Han vet inte hur ljudet produceras, antingen, men att veta orsaken krävs inte för ett larmsystem. Idén med ett akustikbaserat system är okomplicerat.

"Om jag tappade ett glas bakom dig och det krossades, du behöver inte vända dig om för att veta vad som hände, " sa Elbing. "Det där ljudet ger dig en bra känsla av din närmaste miljö." Infraljudsvibrationer kan färdas över långa avstånd snabbt, och genom olika medier. "Vi kunde upptäcka tornados på 100 miles away."

Medlemmar av Elbings forskargrupp beskrev också en sensoruppsättning för att upptäcka tornados via akustik och presenterade resultat från studier om hur infraljudsvibrationer färdas genom atmosfären. Arbetet med infraljudstornadsignaturer stöddes av ett bidrag från NOAA.

Andra sessioner under Division of Fluid Dynamics-mötet behandlade på liknande sätt sätt att studera och förutsäga extrema händelser. Under en session om icke-linjär dynamik, MIT-ingenjören Qiqi Wang återbesökte fjärilseffekten, ett välkänt fenomen inom vätskedynamik som frågar sig om en fjäril som flaxar med vingarna i Brasilien kan utlösa en tornado i Texas.

Det som är oklart är om fjärilsvingarna kan leda till förändringar i den långvariga klimatstatistiken. Genom att undersöka frågan beräkningsmässigt i små kaotiska system, han fann att små störningar kan, verkligen, påverka långsiktiga förändringar, ett fynd som tyder på att även små ansträngningar kan leda till bestående förändringar i klimatet i ett system.

Under samma session, maskiningenjör Antoine Blanchard, en postdoktor vid MIT, introducerade en smart samplingsalgoritm utformad för att kvantifiera och förutsäga extrema händelser – som extrema stormar eller cykloner, till exempel. Extrema händelser inträffar med låg sannolikhet, han sa, och kräver därför stora mängder data, som kan vara dyrt att generera, beräkningsmässigt eller experimentellt. Blanchard, vars bakgrund är i vätskedynamik, ville hitta ett sätt att identifiera extremvärden mer ekonomiskt. "Vi försöker identifiera de farliga tillstånden med så få simuleringar som möjligt."

Algoritmen han designade är en sorts svart låda:vilket dynamiskt tillstånd som helst kan matas som en ingång, och algoritmen kommer att returnera ett mått på farligheten i det tillståndet.

"Vi försöker hitta dörrarna till fara. Om du öppnar just den dörren, kommer systemet att förbli stilla, eller kommer det att bli galet?" frågade Blanchard. "Vilka är tillstånden och förhållandena - som väderförhållanden, till exempel - att om du skulle utveckla dem över tiden kan det orsaka en cyklon eller storm?"

Blanchard sa att han fortfarande förfinar algoritmen men hoppas kunna börja tillämpa den på riktiga data och storskaliga experiment snart. Han sa också att det kan ha konsekvenser utöver vädret, i alla system som producerar extrema händelser. "Det är en väldigt allmän algoritm."