Физики нашли гидродинамические критерии для формирования глаз тропических циклонов

Фотография урагана Катарина, полученная экипажем МКС в 2004 году. В центре вихря виден глаз циклона, свободных от облаков
NASA Johnson / flickr
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.
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.
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