Ученые выяснили, как шумы влияют на вихри в сферическом течении

15:30, 20 августа 2018

Открытие поможет построить более точные модели таких природных течений, как циркуляция атмосферы Земли

Экспериментальная установка, на которой проводились исследования. Фото: Статья в журнале Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science

Коллектив российских и зарубежных ученых, среди которых старший научный сотрудник лаборатории Extra terra consortium УрФУ Мария Грицевич, обнаружил, что случайные колебания скорости в сферическом течении жидкости влияют на плавность потока.

В результате проведенного эксперимента выяснилось, что между шумами (случайные колебания скорости вращения) и режимом течения жидкости есть довольно сложная зависимость. При небольших шумах или совсем без них в течении было три вихря. Если шум усилить, то в течении образовывалось четыре вихря. Но самым интересным оказалось влияние шумов средней силы. В этом случае количество вихрей зависит как от ускорения, так и от величины самого шума, причем эта зависимость нелинейная.

«Мы полагаем, что изучение воздействия шума на состояние потока крайне важно применительно не только к астрофизическим объектам, таким как пульсары, но и к режиму циркуляции в атмосфере. В работе коллег, к примеру, было высказано предположение, что для лучшего понимания выбора режима циркуляции атмосферы, таких как взаимодействие с волнами Россби и переходы между ними, необходимо учитывать зависимость от состояния шумов, — сообщается в выводах статьи. — Теоретические модели были использованы для оценки влияния воздействия шумов в фазовых переходах конденсированных сред, для которых выявлено, что интенсивность шума является контрольным параметром: низкая интенсивность индуцирует фазовый переход в упорядоченное состояние, тогда как сильный шум играет деструктивную роль. Такое поведение можно ожидать и при формировании структуры в потоке жидкости».

Открытие может быть полезным при построении более точных моделей природных течений, например, циркуляции атмосферы Земли. Ответ на вопрос, что влияет на устойчивость или неустойчивость течения, поможет более точно предсказывать изменения климата.

«Нам еще предстоит узнать, как именно шумы средней амплитуды воздействуют на течение, — рассказал соавтор работы старший научный сотрудник МГУ имени М. В. Ломоносова Дмитрий Жиленко порталу „Индикатор“. — Это поможет оценить влияние шумов на процессы в природных объектах: в пульсарах, в атмосфере Земли и других планет. К примеру, случайные колебания в притоке солнечного тепла в атмосферу, как полагают некоторые исследователи, могут менять элементы атмосферной циркуляции: ячейки Гадлея, Ферреля и полярные. Такие ячейки представляют собой „кольца“ с замкнутой циркуляцией воздуха, и от циркуляции атмосферы в них напрямую зависит климат на всей планете».

Поясним, течением Куэтта называют стационарное течение жидкости, вызванное перемещением стенок сосуда. В лабораторных условиях течение Куэтта изучают на установке из двух прозрачных сфер, одна из которых — внешняя — обычно неподвижна, а внутреннюю можно вращать с заданной скоростью. Такая модель описывает движения атмосферы, океанов и мантии Земли. От того, как сильно меняется скорость вращения внутренней сферы, зависит режим течения Куэтта и образование вихрей.

Отметим, исследование проведено коллективом ученых МГУ (Дмитрий Жиленко, Ольга Кривоносова), УрФУ (Мария Грицевич; также сотрудник Университета Хельсинки) и Оксфордского университета (Питер Рид).