Фізики описали механізм виникнення в екваторіальній зоні стратосфери Землі системи вітрів, які приблизно раз на рік змінюють свій напрямок зі східного на західний. За допомогою двох типів комп’ютерних моделей — точної і наближеної — вдалося показати, що до такого ефекту призводить взаємодія турбулентної конвективної хвилі зі стійкою шаруватою структурою вертикальних потоків близько неоднорідно нагрітої поверхні. Виявлений механізм описує процеси, що відбуваються не тільки в атмосфері Землі, але і в газових оболонках інших небесних тіл, наприклад Юпітера і Сонця, пишуть вчені в Physical Review Letters.
З точки зору фізики атмосфера являє собою систему, яка дуже далека від стану рівноваги. Завдяки цьому багато явищ, які в ній відбуваються і визначають не тільки погоду, але і клімат, до цих пір залишаються досить погано вивченими. Описати такі системи аналітично не вдається, а чисельне моделювання ускладнене тим, що процеси, які визначають рух повітря, одночасно відбуваються на дуже багатьох масштабах довжин — від сантиметра до сотень кілометрів — і всі вони справляють взаємний вплив один на одного. Ось чому точне моделювання турбулентних потоків в атмосфері — дуже витратне завдання з точки зору обчислень. Тому щоб описати більшість складних явищ, які спостерігаються в атмосфері, доводиться вдаватися до спрощення моделей і шукати мінімальні умови, при яких ці ефекти починають проявлятися.
Один з таких ефектів, які не вдавалося описати за допомогою чисельного моделювання раніше, — виникнення в екваторіальній зоні стратосфери Землі впорядкованої системи вітрів, які періодично змінюють своє спрямування з західного на східне і навпаки. Напрямок цих потоків змінюється з періодичністю трохи більше року, а повний цикл цих коливань складає від 28 до 29 місяців. При цьому, формування подібних структур спостерігається не тільки в атмосфері Землі, але і в газових оболонках інших небесних тіл, зокрема Сонця і Юпітера.
Вертикальний розподіл середньої швидкості вітру в екваторіальній зоні в кінці XX століття. Позитивні величини відповідають східному напрямку
Фізикам із США і Франції під керівництвом Майкла Ле Бару (Michael Le Bars) з Марсельського університету вперше вдалося дослідити цей ефект за допомогою комп’ютерного моделювання. Для цього вчені використовували досить просту двовимірну модель, в якій турбулентний шар в’язкого середовища обмежується двома стінками, на одній з яких температура розподілена нерівномірно. Щоб можна було змоделювати великомасштабну систему (її розмір у горизонтальному напрямку відповідає приблизно близько 10 кілометрів на Землі) без урахування зовсім маленьких вихорів, вчені запропонували використовувати наближену модель, отриману за рахунок просторового усереднення рівнянь Нав’є — Стокса.
Основне завдання при такому усередненні — правильно підібрати параметри, які характеризують виникаючу в системі напругу турбулентного тертя, яке і описує вплив всіх турбулентних вихорів невеликих розмірів. В даній роботі вченим вдалося зробити це, порівнявши за ключовими характеристиками картини течій, отримані з допомогою точного розв’язання рівнянь Нав’є — Стокса та спрощених моделей, показавши, що таким чином можна описувати динаміку подібних систем.
Результати точного моделювання системи з допомогою розв’язання рівнянь Нав’є — Стокса. Зверху показані два зрізи полів вертикальної швидкості в різні моменти часу, знизу — залежність середньої горизонтальної швидкості на різній висоті з плином часу
В результаті авторам роботи вдалося детально описати механізм, за яким відбувається утворення впорядкованих конвективних потоків в атмосфері з періодичною зміною напрямків. Виявилося, що спочатку з неоднорідного розподілу температур на нижній стінці в системі відбувається утворення двошарової структури. Знизу утворюється стійкий шар з періодичним полем вертикальних швидкостей, що слабо змінюється з плином часу. Над ним формується другий шар з конвективним перебігом, в якому виникає турбулентна хвиля. А нелінійна взаємодія між цими шарами призводить до періодичної зміни напрямку горизонтальної швидкості з періодом значно більше періоду самої турбулентної хвилі.
При цьому єдина відмінність точного рішення від наближеного — ступінь деталізації структури течії в турбулентній хвилі, яка розповсюджується від нижньої стінки. Завдяки цьому повністю фізичний процес описати спрощений підхід поки не дозволяє, тим не менш, основні базові закономірності встановити вдалося, і на відміну від точного рішення, наближені моделі дають можливість вивчити динаміку досить великих систем на тривалих проміжках часу. Зокрема, вчені показали, що при невеликих значеннях числа Прандтля, яке характеризує теплоперенос у в’язких середовищах, відбувається збільшення горизонтальної швидкості. Тому точне значення цього параметра повинна враховуватися при моделюванні подібних процесів, що відбуваються в газових оболонках зірок.
Вчені відзначають, що в подальшому уточнення масштабного спектру кінетичної енергії турбулентних атмосферних потоках допоможе зробити наближені моделі більш детальними й точними, що дозволить використовувати їх для опису багатьох астрофізичних та геофізичних процесів.
Правильний опис каскадної системи вихорів — одне з ключових завдань при дослідженні і моделюванні турбулентних потоків. Наприклад, нещодавно вчені показали, що дисипація, яка відбувається при передачі енергії між вихорами різного розміру, визначає багато процесів в турбулентних океанічних течіях. Допомогти при моделюванні таких процесів може правильний вибір інваріанти, одним з яких для таких потоків виявилася гідродинамічна спиральность.