Резкое изменение высоты, погружение в воздушную яму и предупреждающий сигнал ремней безопасности — то, что может испытать любой, кто регулярно пользуется авиаперелетами. Для миллионов пассажиров турбулентность по-прежнему является основным источником дискомфорта и беспокойства во время полета. Однако, согласно новым исследованиям, авторы обещают превратить этот фактор из непредсказуемого явления в точную научную область. Они сообщили о разработке, вероятно, самой современной математической модели турбулентности, которая позволит сделать полет более плавным.
Турбулентность представляет собой непредсказуемые колебания скорости потока, отличающиеся изменчивостью как по величине, так и по направлению. Данное явление характерно для движущихся сред, таких как газ и жидкость, например, воздух и вода. С развитием авиации пилоты регулярно сталкивались с турбулентностью и приобретали опыт, позволяющий избегать гроз и горные области, где часты восходящие и нисходящие потоки.
Однако самый коварный вид турбулентности — турбулентность ясного неба. Она появляется неожиданно, в ясном небе, лишенном облаков и штормов, и ее крайне сложно заметить с помощью обычных систем радиолокации.
В последнее время риск возникновения турбулентности увеличивается. В 2023 году бритаские ученые проанализировала метеорологические данные, собранные за несколько десятилетий. Их вывод шокировал: за период с 1979 по 2020 год интенсивность сильной турбулентности ясного неба над Северной Атлантикой выросла на 55 процентов. Это тревожная тенденция для одного из самых загруженных авиационных маршрутов в мире.
Эта ситуация представляет собой нечто большее, чем просто дискомфорт. Несмотря на то, что авиакатастрофы, вызванные турбулентностью, случаются крайне редко, травмы пассажиров и членов экипажа, к сожалению, являются фактом. Недавно, в конце июля 2025 года, рейс авиакомпании Delta Air Lines над штатом Вайоминг в США попал в зону неожиданно сильной турбулентности. Самолет резко тряхнуло, несколько человек получили травмы. Национальный совет по безопасности на транспорте США уже опубликовал промежуточный отчет по этому инциденту.
Исследователи констатируют, что наше базовое представление о турбулентности по-прежнему неполное. Знаменитый Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии, когда-то назвал турбулентность важнейшей нерешенной проблемой классической физики. Причина сложности кроется в самой природе явления. Турбулентность зачастую рождается из хаоса и зависит от скорости в разных частях потока, то есть факторов, которые быстро меняются во времени и пространстве.
Предсказание поведения воздушных масс в турбулентном потоке затруднено из-за ряда факторов. Наличие локальных вихрей и разнонаправленных движений делает поток весьма сложным для точного моделирования.
Новый шаг к разгадке этой вековой тайны сделали Бьёрн Бирнир ( Bjorn Birnir), руководитель Центра комплексных и нелинейных исследований Университета Калифорнии в Санта-Барбаре, и Луиза Ангелута-Бауэр ( Luiza Angheluta-Bauer), физик-теоретик из Университета Осло. Их работа, опубликованная в авторитетном журнале Physical Review Research, представляет модель, сочетающую два принципиально различных подхода к исследованию турбулентности.
Турбулентность обычно исследуют двумя методами. Первый из них — Лагранжевый подход. В данном сценарии исследователь отслеживает конкретный элемент потока. Это можно сравнить с наблюдением за отдельным листом, который движется по течению реки. Лист вращается в водоворотах, поднимается на волнах, и его траектория характеризуется извилистостью и непредсказуемостью.
Второй способ — Эйлеровский подход. Ученый сосредотачивается не на движущемся объекте, а на неподвижной точке в пространстве. Вообразите камень, выступающий из воды. Исследователь наблюдает за тем, как вода и возникающие в ней водовороты обтекают этот зафиксированный камень. Он фиксирует изменения скорости и направления потока в определенной точке, однако не отслеживает движение отдельной капли.
У каждого из рассмотренных методов есть свои достоинства, однако ни один из них не позволяет получить исчерпывающее представление. Для применения лагранжевой механики требуется сложное моделирование траекторий частиц, находящихся в потоке. Метод Эйлера более прост в использовании, но он является статичным и не демонстрирует общую динамику потока.
Бирнир и Ангелута-Бауэр разработали гибридную модель, объединяющую оба подхода. Для создания связующего звена между этими методами они применили теоретические положения и статистический анализ.
«Турбулентность характеризуется хаотичным поведением, когда все процессы выходят из-под контроля. Воздушные потоки демонстрируют высокую степень непредсказуемости и множественность степеней свободы. Новая модель позволит разобраться в этом сложном явлении, подобном безумному танцу стихии», — пояснил Дж. Дойн Фармер (J. Doyne Farmer), профессор Оксфордского университета, эксперт в области хаотических систем.
Как именно гибридная модель способна изменить авиаперелеты? Авторы новой работы утверждают, что их методика прогнозирования турбулентности позволит метеорологам формировать более подробные и точные прогнозы. В будущем пилоты смогут получать не обобщенную информацию о потенциальных зонах турбулентности, а конкретные сведения о силе, местоположении и особенностях турбулентных потоков на запланированном маршруте. Точность прогноза напрямую зависит от качества модели и количества деталей турбулентного течения, которые она учитывает. А точный прогноз является ключевым фактором для принятия обоснованных решений в кабине пилотов.
Вряд ли новая модель будет непосредственно использоваться пилотами, поскольку она отличается сложностью и требует специальных знаний в области вычислительной гидродинамики. Тем не менее, это открытие не является незначительным: исследователи надеются, что на его основе будут разработаны практические инструменты, такие как более точные метеопрогнозы, алгоритмы для бортового оборудования и конструктивные решения, повышающие устойчивость самолетов к непредсказуемым воздушным потокам.