В атмосфере и океане регулярно возникают крупные вихри, отличающиеся спиральной структурой. Ученые из НИУ ВШЭ прояснили механизм их формирования и выяснили причины сохранения их структуры. Было установлено, что скорости в точках, находящихся на одной дуге вихря, поддерживают устойчивую взаимосвязь даже на значительных расстояниях. Однако, по мере удаления от центра вихря, эта связь быстро уменьшается. Подобные особенности позволяют объяснить возникновение рукавов и способны повысить точность моделей, описывающих атмосферные и океанические течения. Результаты опубликованы в Physical Review Fluids.
Турбулентный поток – это движение жидкости или газа, отличающееся вихреобразованием, сильным перемешиванием и скачками скорости. Отследить траекторию каждой отдельной частицы в таком потоке не представляется возможным, поэтому ученые используют для его описания усредненные параметры. Так, парная корреляционная функция позволяет определить взаимосвязь между скоростями жидкости, измеренными в различных точках потока.
В случае развитой турбулентности, где все направления одинаково важны и отсутствует вращение, соответствующие корреляционные связи уже достаточно хорошо проанализированы. В трехмерном потоке образующиеся вихри распадаются на более мелкие, и на больших расстояниях скорости оказываются практически независимыми. В двумерном потоке вихри, наоборот, объединяются в более крупные структуры, и взаимосвязь между скоростями ослабевает с расстоянием значительно медленнее.
В потоке, где жидкость движется в трехмерном пространстве, его структура претерпевает изменения: основной поток, представленный крупным вихрем, вытягивается и становится более двухмерным, в то время как мелкие колебания, присутствующие в нем, сохраняют свою сложную трехмерную организацию. Статистические характеристики течения внутри вихря обусловлены именно взаимодействием этих колебаний.
В своей новой работе профессор Сергей Вергелес и доцент Леон Огородников, сотрудники ИТФ им. Л.Д. Ландау и Международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ, изучили поведение быстро вращающейся трехмерной жидкости, в которой возникает устойчивый когерентный вихрь – крупномасштабный закрученный поток, способный формироваться в океане и атмосфере. В атмосфере подобные вихревые образования отчетливо просматриваются в циклонах и антициклонах: облака в них формируют спиралевидные структуры, создавая плотные и протяженные области. Исследователи проанализировали, как изменяются взаимосвязи между скоростями внутри вихря, как в непосредственной близости от центра, так и на удалённых расстояниях. При этом рассматривались три составляющие скорости: радиальная (направленная от оси вихря или к ней), азимутальная (вращательное движение вокруг оси вихря) и вертикальная (движение вдоль оси вихря).
Установлено, что зависимость между скоростями сохраняется на больших расстояниях и постепенно уменьшается с ростом дистанции, однако проявляется по-разному в зависимости от направления: наиболее медленное затухание (логарифмическое) наблюдается по окружности вихря, немного более быстрое – вдоль его оси, и самое быстрое (по степенному закону) – по радиусу. Данное явление связано с пространственной неоднородностью вращения среды, при котором элементы жидкости, расположенные на разном удалении от оси вращения, движутся с различными угловыми скоростями, то есть совершают полный оборот за разное время. Такое замедленное ослабление корреляций поля скорости в азимутальном направлении относительно радиального наглядно демонстрируется в виде спиралевидных рукавов, вытянутых вдоль направления вращения жидкости и сжатых в перпендикулярном направлении. Аналогичные спиралевидные структуры формируются и в галактиках. Хотя в этих системах действуют иные физические процессы, именно дифференциальное вращение приводит к образованию рукавов схожей формы.
В ходе исследования авторы установили, что корреляции между однотипными факторами, определяющими скорость, практически не меняются в зависимости от способа передачи энергии в систему. Однако, взаимосвязи между различными факторами демонстрируют чувствительность к этому параметру.
«По словам одного из авторов исследования, младшего научного сотрудника Международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ и ИТФ им. Л.Д. Ландау Леона Огородникова, взаимосвязи между одинаковыми компонентами скорости практически не определяются статистическими особенностями силы, передающей энергию в систему. Однако корреляции между азимутальной и радиальной компонентами скорости имеют иную природу: они менее выражены, характеризуются более быстрым затуханием с увеличением расстояния и также зависят от характера накачки.
Анализ полученных данных способствует более глубокому пониманию структуры крупных когерентных вихрей, формирующихся в океанических и атмосферных потоках на Земле и других планетах.
Информация предоставлена пресс-службой НИУ ВШЭ