Физики выяснили, что происходит внутри устойчивого вихря
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.
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). Результаты опубликованы в Physical Review Fluids.
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.
«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.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно