Физики НИУ ВШЭ раскрыли внутреннее устройство устойчивых вихрей в атмосфере и океане

Турбулентные течения — хаотичное движение жидкости или газа с завихрениями и перемешиванием — трудно описать в деталях. Обычно ученые используют усредненные характеристики, например, парные корреляционные функции, которые показывают, насколько связаны скорости в разных точках потока. Для развитой турбулентности такие связи уже хорошо изучены: в трехмерном потоке вихри распадаются на более мелкие, и на больших расстояниях скорости практически независимы. В двумерном потоке, наоборот, вихри сливаются, и корреляции затухают медленнее.

Что происходит внутри вращающегося вихря?

В новой работе физики из НИУ ВШЭ профессор Сергей Вергелес и доцент Леон Огородников рассмотрели быстро вращающуюся трехмерную жидкость. В таких условиях формируется устойчивый когерентный вихрь — крупный закрученный поток, похожий на циклоны и антициклоны в атмосфере, где облака собираются в спиральные рукава. Авторы исследовали корреляции трех компонент скорости: радиальной (от центра или к центру), азимутальной (по окружности) и вертикальной (вдоль оси).

Оказалось, что связь между скоростями сохраняется на больших расстояниях, но затухает по-разному в разных направлениях. Медленнее всего, логарифмически, — по окружности вихря. Чуть быстрее — вдоль оси. А быстрее всего, степенным образом, — по радиусу. Этот эффект объясняется неоднородностью вращения: частицы на разном расстоянии от оси движутся с разными угловыми скоростями, совершая полный оборот за разное время.

Спиральные рукава и практическое значение

Такое медленное ослабление связей в азимутальном направлении по сравнению с радиальным проявляется в виде спиралевидных рукавов, вытянутых вдоль вращения и сжатых поперек. Интересно, что похожие спиральные структуры возникают в галактиках, хотя там действуют другие физические законы — но и там дифференциальное вращение приводит к той же форме.

Авторы также выяснили, что корреляции одинаковых компонент скорости почти не зависят от того, как именно энергия поступает в систему. А вот связи между разными компонентами (например, между азимутальной и радиальной) оказались чувствительны к статистике накачки: они слабее, быстрее убывают с расстоянием и зависят от источника энергии. «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», — комментирует Леон Огородников.

Полученные результаты помогают лучше понять внутреннее устройство крупных когерентных вихрей в океанических и атмосферных течениях на Земле и других планетах. В перспективе это может улучшить модели прогноза погоды, климата и океанических циркуляций.