Крупные вихри со спиральными рукавами регулярно возникают в атмосфере и океане. Физики из НИУ ВШЭ выяснили, как они формируются и почему долго сохраняют структуру.
Исследование показало: скорости в точках, расположенных вдоль одной дуги вихря, остаются связанными даже на больших расстояниях. Тогда как по направлению от центра вихря эта связь ослабевает. Именно эти различия, как считают ученые, помогают объяснить образование рукавов и могут улучшить модели атмосферных и океанических течений. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Fluids.
Турбулентное течение — это движение жидкости или газа, для которого характерны завихрения, интенсивное перемешивание и резкие изменения скорости. Отследить движение каждой отдельной частицы в таком потоке практически невозможно, поэтому исследователи используют усредненные параметры. Например, с помощью парной корреляционной функции можно понять, как связаны скорости жидкости в двух точках потока.
Для развитой турбулентности без вращения такие связи изучены достаточно хорошо. В трехмерных потоках вихри дробятся на все более мелкие структуры, поэтому на больших расстояниях скорости почти перестают влиять друг на друга. В двумерных системах ситуация обратная: вихри, напротив, объединяются в более крупные образования, и связи между скоростями убывают с расстоянием гораздо медленнее.
Однако в быстро вращающейся трехмерной жидкости картина становится сложнее. Крупный вихрь приобретает более плоскую форму, тогда как мелкие колебания внутри него сохраняют трехмерную структуру. Именно взаимодействие этих пульсаций и определяет статистические свойства потока внутри вихря.
В новой работе профессор Сергей Вергелес и доцент Леон Огородников — сотрудники ИТФ им. Л.Д. Ландау и Международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ — исследовали быстро вращающуюся трехмерную жидкость, в которой возникает устойчивый когерентный вихрь. Такие гигантские закрученные потоки можно наблюдать как в атмосфере, так и в океане. Например, в циклонах и антициклонах облака нередко выстраиваются в длинные спиралевидные рукава.
Авторы проанализировали, как ведут себя корреляции скоростей внутри вихря — как в одной точке, так и между удаленными областями потока. Исследователи рассматривали три компоненты скорости: радиальную, связанную с движением к оси вихря или от нее; азимутальную — движение по окружности; и вертикальную — вдоль оси вращения.
Выяснилось, что связи между скоростями действительно сохраняются на больших расстояниях, однако ослабевают по-разному в зависимости от направления. Медленнее всего корреляции затухают по окружности вихря — логарифмически. Вдоль оси вихря связь ослабевает быстрее, а в радиальном направлении — еще быстрее, по радиусу.
Причина этого эффекта связана с неоднородным вращением среды. Частицы жидкости, находящиеся на разных расстояниях от оси вращения, движутся с разной угловой скоростью и совершают полный оборот за разное время. В результате связи вдоль направления вращения сохраняются значительно дольше, чем поперек потока. Именно поэтому внутри вихря формируются вытянутые спиральные рукава.
Похожие структуры можно увидеть и в галактиках. Хотя физические процессы там отличаются, спиральные рукава возникают по схожему принципу — из-за дифференциального вращения, при котором разные области системы движутся с разными скоростями.
Авторы также выяснили, что связи между одинаковыми компонентами скорости почти не зависят от того, как именно в систему подается энергия, тогда как связи между разными компонентами к этому чувствительны.
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, а также зависят от статистики накачки.
Ранее Наука Mail писала, что физики создали торнадо из света.
