Физики приблизились к пониманию поведения циклонов
|
Получили объяснение два недавно открытых свойства атмосферных вихрей, оказавшиеся для физиков весьма неожиданными, — бурный отклик на попытку отобрать энергию и самопроизвольное изменение направления вращения крупных вихрей.
Предсказание погоды — дело неблагодарное. Уравнения гидродинамики, управляющие климатом, так сложны, что решить их пока не удалось никому. При этом их важность для физики столь велика, что Институт Клэя в 2000 году объявил премию в миллион долларов за точное решение этих уравнений.
Главная проблема, из-за которой невозможно предсказать погоду на длительное время, это атмосферная турбулентность — хаотическая завихренность среды. Поразительно, но физики, даже не имея точных решений, умудряются иногда описать простым языком многие свойства турбулентной среды в целом. Классический пример — идея о «каскадном» поведении турбулентности: вихри большого размера самопроизвольно дробятся на всё более мелкие вихри, полностью передавая энергию хаотического движения на всё более мелкий масштаб. Лишь на самых малых расстояниях вязкость жидкости берет свое и «рассасывает» турбулентность, превращая всю энергию в тепло.
Оказывается, такое описание работает, только когда турбулентности ничто не мешает спокойно развиваться. Если же турбулентная среда находится в некотором контейнере неправильной формы, то он будет отбирать энергию у самых крупных вихрей. Неожиданное открытие, опубликованное недавно в статье D. Elhmaidi, J. Hardenberg, A. Provenzale, Physical Review Letters, 95, 014503 (1 July 2005), состоит в том, что дополнительная потеря энергии не «успокаивает» среду, а лишь увеличивает количество вихрей! На «погодном» языке это означает, что крупные неровности рельефа — контейнера для земной атмосферы — разрушают самые крупные циклоны, но при этом порождают много более мелких, делая погоду в целом более неспокойной.
Еще одно свойство двумерной турбулентности было не так давно открыто экспериментально. Оказывается, под действием развитой турбулентности крупный медленный вихрь может совершенно неожиданно изменить направление своего вращения. Ученые полагают, что этот процесс регулярно происходит не только в атмосфере, но проявляется даже в геологическом прошлом Земли в регулярных переполюсовках земного магнитного поля.
Автор недавно опубликованной статьи R. Benzi, Physical Review Letters, 95, 024502 (5 July 2005) развивает и обосновывает теорию этого явления. Расчеты показывают, что крупный вихрь порождает мелкие турбулентные дрожания, которые время от времени резко и спонтанно разворачивают его вращение. Интересно, что турбулентность при этом играет роль случайного шума, хотя изначально никаких источников случайности в теории не заложено.
Игорь Иванов
Более подробный вариант этой новости
