Цивилизация
Ученые из Института механики МГУ имени М.В. Ломоносова экспериментально выяснили, как случайные колебания скорости вращения, или шумы, влияют на количество вихрей в сферическом течении Куэтта. Оказалось, что между уровнем шума и режимом течения существует сложная нелинейная связь. Знания об этом явлении помогут строить более точные модели природных течений, в том числе циркуляции атмосферы Земли. Результаты работы опубликованы в журнале Chaos.
Сферическое течение Куэтта — это течение жидкости в сферическом слое, вызванное вращением его границ. В лабораторных условиях его изучают на установке из двух прозрачных сфер: внешняя, как правило, остается неподвижной, а внутренняя вращается с заданной скоростью. Такая модель позволяет описывать крупномасштабные движения атмосферы, океанов и мантии Земли, вызванные вращением планеты. Все эти природные процессы обычно являются турбулентными. Первым шагом на пути к турбулентности является потеря устойчивости стационарного течения, в результате чего в потоке жидкости или газа самопроизвольно возникают вихри. Что влияет на устойчивость и определяет дальнейший режим течения (например, количество вихрей в нем)? Ответив на этот вопрос, ученые смогут более точно предсказывать изменения климата на Земле.
Режим течения Куэтта определяется предысторией его развития, в том числе величиной ускорения, с которым изменяется скорость вращения внутренней сферы. Именно от величины ускорения зависит, образуется в течении три вихря или четыре. Но в природных процессах не существует ни постоянных скоростей вращения, ни постоянных ускорений, в них всегда присутствуют случайные отклонения. В новом эксперименте исследователи из Института механики МГУ решили проверить, как на режим течения влияют случайные колебания в скорости вращения, или шумы. Экспериментаторы специально усиливали шумы, чтобы увидеть, что произойдет с течением. Определять число вихрей в жидкости можно было как невооруженным глазом (для визуализации использовались частицы алюминиевой пыли), так и по измерениям скорости течения с помощью лазерного допплеровского анемометра.
Результаты эксперимента оказались сложнее, чем могли предположить исследователи. Между случайными помехами и режимом течения жидкости действительно есть зависимость, но она является нелинейной. Когда шумы, вносимые учеными, были невелики, в течении оставалось три вихря, как и при отсутствии дополнительного шума. При большом уровне шума влияние ускорения «забывалось», и в течении образовывалось четыре вихря. Но самым интересным оказалось влияние шумов средней амплитуды. В этом случае количество вихрей зависит как от величины ускорения, так и от величины шума, и эта зависимость нелинейная.
«Нам еще предстоит узнать, как именно шумы средней амплитуды воздействуют на течение,— говорит один из авторов работы, старший научный сотрудник Института механики Дмитрий Жиленко. — Это поможет оценить влияние шумов на процессы в природных объектах: в пульсарах, в атмосфере Земли и других планет. К примеру, случайные колебания в притоке солнечного тепла в атмосферу, как полагают некоторые исследователи, могут менять элементы атмосферной циркуляции: ячейки Гадлея, Ферреля и полярные. Такие ячейки представляют собой «кольца» с замкнутой циркуляцией воздуха, и от циркуляции атмосферы в них напрямую зависит климат на всей планете».
Работа выполнена совместно с учеными из Уральского федерального университета, Университета Хельсинки и Оксфордского университета. Зарубежные соавторы статьи принимали участие в обработке и обсуждении результатов эксперимента.
