Ученые НИУ ВШЭ и Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау объяснили механизм формирования спиральных рукавов в крупных вихрях атмосферы и океана. Исследование показало, что скорости частиц жидкости внутри таких структур остаются связанными на больших расстояниях, но эта связь ослабевает по-разному в зависимости от направления. Об этом «Газете.Ru» рассказали в пресс-службе НИУ ВШЭ.
Крупные вихри регулярно возникают в атмосфере и океане — например, в циклонах и антициклонах. Их характерная особенность — спиральные рукава, вдоль которых выстраиваются облака и потоки вещества. Однако механизм формирования и устойчивости таких структур до конца оставался неясным.
Турбулентные потоки представляют собой сложное движение жидкости или газа с множеством завихрений и резкими изменениями скорости. Проследить поведение каждой частицы в них невозможно, поэтому физики используют статистические методы — например, изучают корреляции скоростей в разных точках потока.
Профессор Сергей Вергелес и доцент Леон Огородников исследовали быстро вращающуюся трехмерную жидкость, в которой возникает устойчивый когерентный вихрь — крупномасштабный закрученный поток, характерный для атмосферы и океана.
Ученые проанализировали три компоненты скорости внутри вихря: радиальную (движение к центру или от него), азимутальную (движение по окружности) и вертикальную (вдоль оси вращения).
Оказалось, что связь между скоростями сохраняется даже на больших расстояниях, но затухает неодинаково. Медленнее всего корреляции ослабевают вдоль окружности вихря — логарифмически, быстрее — вдоль оси, а наиболее быстро — по радиусу, где спад носит степенной характер. Причина заключается в дифференциальном вращении среды: участки жидкости на разном расстоянии от центра движутся с различной угловой скоростью и совершают оборот за разное время.
Именно эта особенность приводит к формированию вытянутых спиральных структур — рукавов, растянутых вдоль вращения и сжатых поперек него. По словам исследователей, похожий механизм может лежать и в основе образования спиральных рукавов галактик, хотя физическая природа процессов там иная. Кроме того, ученые показали, что корреляции между одинаковыми компонентами скорости почти не зависят от способа подачи энергии в систему, тогда как связи между разными компонентами чувствительны к этому параметру.
«Дальние связи между одинаковыми компонентами скорости почти не зависят от статистических свойств силы, поставляющей энергию в систему, а вот корреляции между азимутальной и радиальной компонентами скорости устроены иначе: они слабее, быстрее убывают с расстоянием и зависят от статистики накачки», — пояснил Леон Огородников, младший научный сотрудник Международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ и ИТФ им. Л.Д. Ландау.
Авторы считают, что результаты помогут улучшить модели атмосферной и океанической динамики, а также лучше понять устройство крупных вихревых структур не только на Земле, но и на других планетах.
Ранее российские ученые разработали технологию производства «умной» керамики для авиации и электроники.
