Ученые из Института механики МГУ определили, 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. Это позволит построить более точные модели природных течений, в том числе циркуляции атмосферы Земли. Результаты работы опубликованы в журнале Chaos. Об этом сообщается в пресс-релизе, который находится в распоряжении «Ленты.ру».
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 турбулентные процессы: крупномасштабные движения атмосферы, океанов и мантии Земли, вызванные вращением планеты. Первым шагом на пути к турбулентности является потеря устойчивости стационарного течения, в результате чего в потоке жидкости или газа самопроизвольно возникают вихри.
Режим течения Куэтта и количество вихрей определяется величиной ускорения, с которым изменяется скорость вращения внутренней сферы. В новом эксперименте исследователи решили проверить, как на режим течения влияют случайные колебания в скорости вращения (шумы). Экспериментаторы специально усиливали шумы и определяли число вихрей в жидкости.
Оказалось, что между случайными помехами и режимом течения жидкости действительно существует нелинейная зависимость. 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. В случае шумов средней амплитуды количество вихрей зависит как от величины ускорения, так и от величины шума, и эта зависимость нелинейная.
Результаты работы помогут 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».