Материалы портала «Научная Россия»

Исследование учёных МГУ поможет уточнить модели циркуляции атмосферы Земли

Исследование учёных МГУ поможет уточнить модели циркуляции атмосферы Земли
Ученые экспериментально выяснили, как случайные колебания скорости вращения, или шумы, влияют на количество вихрей в сферическом течении Куэтта. Между уровнем шума и режимом течения существует сложная нелинейная связь

Ученые из Института механики МГУ имени М.В. Ломоносова экспериментально выяснили, как случайные колебания скорости вращения, или шумы, влияют на количество вихрей в сферическом течении Куэтта. Оказалось, что между уровнем шума и режимом течения существует сложная нелинейная связь. Знания об этом явлении помогут строить более точные модели природных течений, в том числе циркуляции атмосферы Земли. Результаты работы опубликованы в журнале Chaos. Информацию об этом сообщает пресс-служба МГУ.

Сферическое течение Куэтта — это течение жидкости в сферическом слое, вызванное вращением его границ. В лабораторных условиях его изучают на установке из двух прозрачных сфер: внешняя, как правило, остается неподвижной, а внутренняя вращается с заданной скоростью. Такая модель позволяет описывать крупномасштабные движения атмосферы, океанов и мантии Земли, вызванные вращением планеты. Все эти природные процессы обычно являются турбулентными. Первым шагом на пути к турбулентности является потеря устойчивости стационарного течения, в результате чего в потоке жидкости или газа самопроизвольно возникают вихри. Что влияет на устойчивость и определяет дальнейший режим течения (например, количество вихрей в нем)? Ответив на этот вопрос, ученые смогут более точно предсказывать изменения климата на Земле.

Режим течения Куэтта определяется предысторией его развития, в том числе величиной ускорения, с которым изменяется скорость вращения внутренней сферы. Именно от величины ускорения зависит, образуется в течении три вихря или четыре. Но в природных процессах не существует ни постоянных скоростей вращения, ни постоянных ускорений, в них всегда присутствуют случайные отклонения. В новом эксперименте исследователи из Института механики МГУ решили проверить, как на режим течения влияют случайные колебания в скорости вращения, или шумы. Экспериментаторы специально усиливали шумы, чтобы увидеть, что произойдет с течением. Определять число вихрей в жидкости можно было как невооруженным глазом (для визуализации использовались частицы алюминиевой пыли), так и по измерениям скорости течения с помощью лазерного допплеровского анемометра.

Результаты эксперимента оказались сложнее, чем могли предположить исследователи. Между случайными помехами и режимом течения жидкости действительно есть зависимость, но она является нелинейной. Когда шумы, вносимые учеными, были невелики, в течении оставалось три вихря, как и при отсутствии дополнительного шума. При большом уровне шума влияние ускорения «забывалось», и в течении образовывалось четыре вихря. Но самым интересным оказалось влияние шумов средней амплитуды. В этом случае количество вихрей зависит как от величины ускорения, так и от величины шума, и эта зависимость нелинейная.

«Нам еще предстоит узнать, как именно шумы средней амплитуды воздействуют на течение,— говорит один из авторов работы, старший научный сотрудник Института механики Дмитрий Жиленко. — 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».

Работа выполнена совместно с учеными из Уральского федерального университета, Университета Хельсинки и Оксфордского университета. Зарубежные соавторы статьи принимали участие в обработке и обсуждении результатов эксперимента.

 

Фото: Экспериментальная установка для моделирования сферического течения Куэтта // Источник: Дмитрий Жиленко.

сферическое течение куэтта циркуляция атмосферы земли

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий