Физики из НИУ ВШЭ объяснили, как формируются крупные атмосферные и океанические вихри со спиральными рукавами и почему они не разрушаются. Исследователи выяснили, что скорости в точках вдоль одной дуги вихря остаются связанными даже на больших дистанциях, а в направлении от центра эта связь быстро ослабевает. Об этом интернет-газета «ЖУК» узнала от пресс-службы НИУ ВШЭ.
Учёные рассмотрели быстро вращающуюся трёхмерную жидкость, в которой формируется устойчивый когерентный вихрь — например, циклоны и антициклоны в атмосфере. Они изучили три компоненты скорости: радиальную (движение к оси или от неё), азимутальную (по кругу) и вертикальную (вдоль оси). Связь между скоростями сохраняется на далёких расстояниях, но ослабевает по-разному: медленнее всего (логарифмически) — по окружности вихря, быстрее — вдоль оси, и ещё быстрее (степенным образом) — по радиусу. Это объясняет появление спиралевидных рукавов, вытянутых в направлении вращения жидкости.
«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», — комментирует один из авторов исследования, младший научный сотрудник Международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ и ИТФ им. Л.Д. Ландау Леон Огородников.
Для развитой трёхмерной турбулентности характерно распадение завихрений на более мелкие, а в двумерном потоке вихри, наоборот, сливаются в крупные. Во вращающейся жидкости крупный вихрь становится плоским, но мелкие пульсации внутри него остаются трёхмерными. Их взаимодействие и определяет статистику течения. Результаты работы, опубликованной в Physical Review Fluids, помогают лучше понимать внутреннее устройство океанических и атмосферных вихрей на Земле и других планетах. Авторы исследования — профессор Сергей Вергелес и доцент Леон Огородников (ИТФ им. Л.Д. Ландау и НИУ ВШЭ).
Ранее считалось, что турбулентные вихри хаотичны и почти не поддаются управлению. Однако физики выяснили: небольшое внешнее воздействие способно стабилизировать такие вихри. Это открытие позволяет точнее предсказывать поведение океанических и атмосферных течений.