Физики НИУ ВШЭ выяснили, что происходит внутри устойчивого вихря

© iStock

В атмосфере и в океане часто наблюдаются крупные вихри с характерными спиральными рукавами. Физики из НИУ ВШЭ объяснили, как они формируются и почему сохраняют свою структуру. Оказалось, что скорости в точках, расположенных вдоль одной дуги вихря, остаются связанными даже на больших расстояниях. При этом в направлении от центра вихря эта связь быстро ослабевает. Такие различия помогают объяснить образование рукавов и могут улучшить модели атмосферных и океанических течений. Результаты опубликованы в Physical Review Fluids.

Турбулентное течение — это движение жидкости или газа, для которого характерны завихрения, интенсивное перемешивание и резкие изменения скорости. Проследить движение каждой частицы в таком потоке невозможно, поэтому исследователи описывают его через усредненные характеристики. Например, с помощью парной корреляционной функции можно понять, как связаны скорости жидкости в двух точках потока.

Для развитой турбулентности, когда все направления равнозначны и вращение отсутствует, такие корреляционные связи уже довольно хорошо изучены. В трехмерном потоке возникающие завихрения распадаются на более мелкие, и на далеких расстояниях скорости практически «не знают» друг о друге. В двумерном потоке вихри стремятся собраться в более крупные, и связи между скоростями убывают с расстоянием гораздо медленнее. 

В быстро вращающейся трехмерной жидкости структура такого потока меняется: среднее течение — крупный вихрь — становится более плоским, а мелкие пульсации внутри него сохраняют сложный трехмерный характер. Именно их взаимодействие и определяет статистические свойства течения 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, рассмотрели быстро вращающуюся трехмерную жидкость, в которой формируется устойчивый когерентный вихрь — огромный закрученный поток, который может возникать в океане и атмосфере. В атмосфере такие вихревые структуры хорошо видны в циклонах и антициклонах: облака в них собираются в спиралевидные рукава, образуя плотные протяженные области. Авторы исследовали, как ведут себя корреляции (связи) скоростей внутри такого вихря как в одной точке, так и на расстоянии друг от друга. Они рассматривали три компоненты скорости: радиальную (движение от оси вихря или к ней), азимутальную (движение по кругу вокруг оси вихря) и вертикальную (движение вдоль оси вихря). 

Выяснилось, что связь между скоростями сохраняется на далеких расстояниях и медленно ослабевает с увеличением дистанции, но по-разному в разных направлениях: медленнее всего (логарифмически) — по окружности вихря, чуть быстрее — вдоль его оси и еще быстрее (степенным образом) — по радиусу. Этот эффект обусловлен пространственной неоднородностью вращения среды, в которой элементы жидкости, находящиеся на разных расстояниях от оси вращения, движутся с разными угловыми скоростями, то есть совершают полный оборот за разное время. Такое медленное ослабление связей поля скорости в азимутальном направлении по сравнению с радиальным наглядно проявляется в виде спиралевидных рукавов, вытянутых в направлении вращения жидкости и сжатых в поперечном направлении. Подобные спиралевидные рукава возникают и в галактиках. Несмотря на то что в этих системах другая физика, именно неоднородное (дифференциальное) вращение приводит к формированию рукавов той же формы.  

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. 

Леон Огородников

«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.

Полученные результаты помогают лучше понять внутреннее устройство крупных когерентных вихрей, которые возникают в океанических и атмосферных течениях на Земле и на других планетах.