Ученые Московского государственного университета совместно с коллегами из Уральского федерального, Хельсинского и Оксфордского университетов исследовали реакции течения вязкой жидкости в сферическом слое — зазоре между двумя концентрическими, вложенными одна в другую сферами — на случайные внешние воздействия. Результаты исследований приближают науку к пониманию — влияют ли случайные изменения скорости вращения Земли на крупномасштабные движения в ее жидком ядре. Такие изменения скорости могут провоцировать тектоническую активность, которая является причиной землетрясений, извержения вулканов, цунами. Статью с описанием исследований ученые опубликовали в старейшем научном издании мира Philosophical Transactions of the Royal Society.
«В нашей работе рассматривались два вида течения, образующиеся при вращении только внутренней сферы и при вращении обеих сфер с одинаковыми однонаправленными скоростями. Величина скорости вращения внутренней сферы подвергалась воздействию “белого” шума — случайных во времени отклонений угловой скорости вращения от средних значений. Расчеты показали, что отклик на шум (изменение параметров течения) зависит от того, как было образовано течение — вращением только внутренней сферы или вращением обеих сфер», — описывает Мария Грицевич, старший научный сотрудник УрФУ, доцент Университета Хельсинки.
Известно, что при увеличении угловой скорости вращения внутренней сферы происходит переход от стационарного к колебательному режиму течения: образуется течение, в котором в каждой точке скорость периодически изменяется во времени. Такое событие называется первой бифуркацией, или потерей гидродинамической устойчивости. Более 30 лет назад было показано, что в динамических системах с присутствием шума вблизи точки бифуркации наблюдаются предвестники неустойчивости: средние значения параметров, характеризующих состояние динамической системы, уменьшаются, а амплитуды их флуктуаций увеличиваются. Такие же предвестники неустойчивости авторы статьи впервые в мире открыли для случая гидродинамических течений с шумом. Численные результаты были подтверждены данными, полученными на экспериментальной установке Института механики МГУ.
«Один из животрепещущих научных вопросов — каково влияние изменений скорости вращения Земли на тектоническую активность? До сих пор при моделировании таких явлений в науке доминировал подход, при котором скорость вращения Земли изменяется строго периодически во времени. Мы же рассмотрели изменение скорости вращения под воздействием случайных, при этом совсем небольших, отклонений. Оба случая представляют собой полярные по смыслу идеализации, фактическое вращение Земли происходит где-то “посередине”, и его истинная природа пока неизвестна. Тем не менее наша работа приближает познание этих сложных и очень важных процессов», — объясняет значение научной работы Ольга Кривоносова, старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной гидродинамики НИИ механики МГУ, руководитель исследовательского коллектива.
Справка
Течение, вызванное вращением одной или двух соосных сфер, принято называть сферическим течением Куэтта, по имени французского ученого, который первым начал систематически изучать течения, образующиеся за счет вращения границ. Сферическое течение Куэтта может рассматриваться наукой в том числе как упрощенная модель атмосфер, океанов, жидкого ядра Земли и других планет. Известно, что параметры вращения Земли претерпевают случайные во времени изменения. Поэтому интерес авторов статьи заключался в том, чтобы исследовать отклик такого модельного течения, как сферическое течение Куэтта, на случайные внешние воздействия.
Развитие исследований течений Куэтта связано с именем Джеффри Тейлора, который изучил устойчивость цилиндрического течения Куэтта и в 1923 году опубликовал работу, ставшую одной из наиболее значимых в развитии теории гидродинамической устойчивости. К 100-летию этой пионерской работы Джеффри Тейлора старейший англоязычный научный журнал «Philosophical Transactions of the Royal Society A» принял решение выпустить юбилейный номер. В это юбилейное издание вошла и работа ученых Московского государственного, Уральского федерального, Хельсинского и Оксфордского университетов.
Информация предоставлена пресс-службой Уральского федерального университета
Источник фото: ru.123rf.com