Физики нашли гидродинамические критерии для формирования глаз тропических циклонов
Физики смоделировали процесс образования глаз крупных тропических циклонов и сформулировали минимальные необходимые для этого гидродинамические критерии. Оказалось, что формирование свободных от облаков областей в центре циклонов происходит при нужном соотношении инерционных сил, вязких сил и силы Кориолиса, пишут ученые в Physical Review Fluids.
Циклон представляет собой атмосферный вихрь с зоной пониженного давления в центре. Часто в центре циклона формируется свободная от облаков область теплого и сухого воздуха диаметром от 20 до 60 километров — так называемый глаз циклона. Такие структуры характерны как для относительно небольших циклонов, так и для тропических циклонов, которые могут сопровождаться ураганами и приводить к катастрофическим последствиям. Несмотря на то, что структура глаз циклонных вихрей изучена довольно хорошо, из-за того, что атмосфера представляет собой очень сложную неравновесную систему с большим количеством параметров, до сих пор не удавалось точно определить наиболее важные факторы, которые определяют их образование. Поэтому очень сложно предсказать, при каких условиях будет формироваться глаз циклона, а при каких — нет.
Физики из Франции и Великобритании под руководством Эммануэля Дорми (E. Dormy) из Высшей нормальной школы Парижа решили определить минимальные необходимые условия, необходимые для формирования глаза в атмосферном вихре. Для этого они рассмотрели чисто гидродинамическую систему, в которой вихревое движение текучей среды определяется вязкостью и температурой системы. С помощью численного моделирования такие системы впервые удалось исследовать количественно для атмосферных систем с размерами, соответствующим реальным тропическим циклонам.
Движение потоков внутри циклона моделировалось как радиально-симметричный вихрь. При этом нагревание нижней части системы приводит к образованию вертикальных восходящих потоков внутри вихря. Так как целью работы было определение минимальных условий, необходимых для образования глаза, то все течения считались ламинарными, поток — установившимся, а конвекция была рассчитана в рамках линейного приближения Буссинеска. Влияние динамических и турбулентных эффектов в рамках работы не рассматривались.
Из-за эффекта Кориолиса в такой системе образуются спиральные потоки, которые двигаются вокруг оси вращения вихря. Вместе с вертикальными конвективными течениями это при определенных условиях приводит к формированию конических (иногда практически вертикальных) стенок, которые ограничивают область циклонного вихря и автоматически приводят к образованию глаза в центре вихря.
С помощью численного моделирования авторы изучили, как меняется поведение системы в зависимости от ее размера, вязкости воздуха, температурного градиента и скорости вращения. Оказалось, что условия, при которых возможно формирование глаза, в первую очередь определяется двумя безразмерными критериями: числом Рейнольдса, которое определяет отношение инерционных сил к вязким, и числом Россби, характеризующим отношение инерционных сил к силе Кориолиса. Некоторые другие параметры, в частности, коэффициент теплопроводности среды, тоже оказывают влияние на процесс формирования глаза циклона, но их эффект вторичен и не настолько заметен.
В результате физики определили, что для формирования глаза число Рейнольдса должно быть не слишком маленьким (не меньше 35), то есть размер системы и скорость потоков — достаточно большими, а вязкость — достаточно маленькой, а число Россби — лежать в пределах примерно от 25 до 50. По оценкам ученых, все эти условия выполняются для крупных тропических циклонов, которые формируются на широтах от 10 до 30 градусов.
Таким образом ученые смогли показать, что образование глаза циклона может происходить по достаточно простым гидродинамическим механизмам, хотя ранее считалось, что для этого необходим учет турбулентных потоков и неоднородности влажности среды. Тем не менее, совсем упрощенные гидродинамические модели, которые также предлагались ранее и ограничивали условия формирования глаза циклона только числом Рейнольдса, тоже не могут описать процесс достаточно точно.
Образование циклонов характерно не только для атмосферы Земли. Подобные вихревые структуры могут формироваться и на других планетах. Например, на Юпитере было обнаружено большое количество циклонных вихрей, диаметр некоторых их которых достигает 7 тысяч километров.
Александр Дубов
Это первый легкий металл, в котором его удалось обнаружить
Физики впервые зафиксировали орбитальный эффект Холла в легком металле. Для этого они измерили угол изменения направления света при прохождении через титан, который использовали в качестве образца из-за высокой проводимости. Открытие поможет уточнить механизм поведения металлов в магнитном поле, сообщают ученые в Nature. Если проводник с током находится во внешнем магнитном поле, то кроме классического эффекта Холла (возникновение разности потенциалов при протекании тока, перпендикулярного полю) в нем можно увидеть еще две разновидности этого явления: спиновый и орбитальный эффекты Холла. В первом случае из-за разницы в электронной проводимости электронов образуется поток спина: электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным сторонам проводника. А во втором — поток орбитального момента: он возникает благодаря действию на электроны силы Лоренца и направлен перпендикулярно току. Ранее считалось, что именно спиновый эффект преобладает в твердых телах с ненулевым значением спин-орбитального взаимодействия. При этом орбитальный эффект не требует спин-орбитального взаимодействия и потому более распространен: для легких металлов (металлы с небольшой плотностью, например алюминий, олово, титан и другие) орбитальная холловская даже превышает спиновую. Однако орбитальный эффект влияет на магнитные свойства металла только косвенно, причем изменения эти настолько малы, что зафиксировать их не удается. Чтобы преодолеть эти ограничения и разглядеть орбитальный эффект Холла в легком металле, физики из Южной Кореи под руководством Хён У Ли (Hyun-Woo Lee) предложили измерять его косвенно — по углу керровского поворота, который характеризует угол наклона плоскости поляризации света при прохождении через материал. Орбитальные токи Холла меняют показатель преломления материала, и, следовательно, угол керровского поворота. В качестве объекта исследования был выбран легкий металл титан — благодаря большой орбитальной кривизне Берри у него текстурированная структура поверхностей Ферми, что, согласно расчетам, должно приводить к очень высокой орбитальной холловской проводимости. С помощью оптической спектроскопии ученым удалось уловить эти изменения — на основании данных спектроскопии они построили график зависимости угла керровского поворота от плотности тока в титане. Зависимость оказалось линейной: чем больше модуль плотности тока, тем больше изменение угла, что подтвердило наличие орбитального эффекта Холла. Его величину ученые определяли по значению эффективной орбитальной холловской проводимости. Оно составило 130h/e обратных ом, это почти в 30 раз меньше расчетной. Причины несоответствия установить не удалось, но ученые собираются провести дополнительные исследования. Несмотря на расхождение с теорией, полученные результаты не только подтвердили наличие орбитального эффекта, но и показали, что именно из-за него в легких металлах возникает и спиновый эффект Холла. То есть чтобы предсказать поведение металлов в магнитном поле, учитывать этот эффект обязательно. У эффекта Холла существует несколько различных механизмов, и каждый из них тщательно исследуется учеными. Например, физики уже изучили, как вакуумные флуктуации нарушили механизм квантового эффекта Холла и придали ультрахолодным атомам дробное квантовое состояние Холла.