Физики описали механизм возникновения в экваториальной зоне стратосферы Земли системы ветров, которые примерно раз в год меняют свое направление с восточного на западное. С помощью двух типов компьютерных моделей — точной и приближенной — удалось показать, что к такому эффекту приводит взаимодействие турбулентной конвективной волны с устойчивой слоистой структурой вертикальных потоков около неоднородно нагретой поверхности. Обнаруженный механизм описывает процессы, происходящие не только в атмосфере Земли, но и в газовых оболочках других небесных тел, например Юпитера и Солнца, пишут ученые в Physical Review Letters.
С точки зрения физики атмосфера представляет собой систему, которая очень далека от состояния равновесия. Из-за этого многие явления, которые в ней происходят и определяют не только погоду, но и климат, до сих пор остаются довольно плохо изученными. Описать такие системы аналитически не удается, а численное моделирование осложнено тем, что определяющие движение воздуха процессы одновременно происходят на очень многих масштабах длин — от сантиметра до сотен километров — и все они оказывают взаимное влияние друг на друга. Из-за этого точное моделирование турбулентных потоков в атмосфере — очень затратная задача с точки зрения вычислений. Поэтому чтобы описать большинство сложных явлений, которые наблюдаются в атмосфере, приходится прибегать к упрощению моделей и искать минимальные условия, при которых эти эффекты начинают проявляться.
Один из таких эффектов, которые не удавалось описать с помощью численного моделировании раньше, — возникновение в экваториальной зоне стратосферы Земли упорядоченной системы ветров, которые периодически меняют свое направления с западного на восточное и наоборот. Направление этих потоков меняется с периодичностью чуть больше года, а полный цикл этих колебаний составляет от 28 до 29 месяцев. При этом, формирование подобных структур наблюдается не только в атмосфере Земли, но и в газовых оболочках других небесных тел, в частности Солнца и Юпитера.
Физикам из США и Франции под руководством Майкла Ле Бара (Michael Le Bars) из Марсельского университета впервые удалось исследовать этот эффект с помощью компьютерного моделирования. Для этого ученые использовали достаточно простую двумерную модель, в которой турбулентный слой вязкой среды ограничивается двумя стенками, на одной из которых температура распределена неравномерно. Чтобы можно было смоделировать крупномасштабную систему (ее размер в горизонтальном направлении соответствует примерно около 10 километрам на Земле) без учета совсем маленьких вихрей, ученые предложили использовать приближенную модель, полученную за счет пространственного усреднения уравнений Навье — Стокса. Основная задача при таком усреднении — правильно подобрать параметры, которые характеризуют возникающее в системе напряжение турбулентного трения, которое и описывает влияние всех турбулентных вихрей небольших размеров. В данной работе ученым удалось сделать это, сравнив по ключевым характеристиками картины течений, полученные с помощью точного решения уравнений Навье — Стокса и упрощенных моделей, показав, что таким образом можно описывать динамику подобных систем.
В результате авторам работы удалось подробно описать механизм, по которому происходит образование упорядоченных конвективных потоков в атмосфере с периодической сменой направлений. Оказалось, что сначала из-за неоднородного распределения температур на нижней стенки в системе происходит образование двухслойной структуры. Снизу образуется устойчивый слой с периодическим полем вертикальных скоростей, которое слабо меняется с течением времени. Над ним формируется второй слой с конвективным течением, в котором возникает турбулентная волна. А нелинейное взаимодействие между этими слоями приводит к периодической смене направления горизонтальной скорости с периодом значительно больше периода самой турбулентной волны.
При этом единственное отличие точного решения от приближенного — степень детализации структуры течения в распространяющейся от нижней стенки турбулентной волны. Из-за этого полностью физический процесс описать упрощенный подход пока не позволяет, тем не менее, основные базовые закономерности установить удалось, и в отличие от точного решения, приближенные модели дают возможность изучить динамику довольно больших систем на длительных промежутках времени. В частности, ученые показали, что при небольших значениях числа Прандтля, которое характеризует теплоперенос в вязких средах, происходит увеличение горизонтальной скорости. Поэтому точное значение этого параметра должно учитываться при моделировании подобных процессов, происходящих в газовых оболочках звезд.
Ученые отмечают, что в дальнейшем уточнение масштабного спектра кинетической энергии в турбулентных атмосферных потоках поможет сделать приближенные модели более подробными и точными, что позволит использовать их для описания многих астрофизических и геофизических процессов.
Правильное описание каскадной системы вихрей — одна из ключевых задач при исследовании и моделировании турбулентных потоков. Например, недавно ученые показали, что диссипация, которая происходит при передаче энергии между вихрями разного размера, определяет многие процессы в турбулентных океанических течениях. Помочь при моделировании таких процессов может правильный выбор инвариантов, одним из которых для таких потоков оказалась гидродинамическая спиральность.
Александр Дубов
Пока эти результаты вызывают сомнения
Физики из Южной Кореи обнаружили у апатита свинца, в котором часть атомов свинца замещена медью, сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Ученые утверждают, что полученный методом твердотельного синтеза материал — первый сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Температура перехода разрушения сверхпроводящего состояния достигает в нем 127 градусов Цельсия, пишут исследователи в препринтах (1, 2) на arXiv.org. Впрочем, некоторые физики уже выразили сомнения в обоснованности опубликованных результатов. Сверхпроводимость — эффект, при котором у некоторых материалов электрическое сопротивление становится нулевым, — обычно наблюдается при экстремально низких температурах. Лишь в конце XX века удалось получить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью. Первым материалом с критической температурой (Тс) выше точки кипения азота (-195,8 градуса Цельсия) был оксид итрия-бария-меди. Только в 2010-х годах были открыты новые типы сверхпроводников, способных сохранять свои свойства при температурах, более близких к комнатной. При сверхвысоких давлениях (более миллиона атмосфер) сверхпроводящие свойства возникают и у гидридов многих элементов, например, у сероводорода. Недавно физики подтвердили наличие сверхпроводимости гидрида лантана LaH10 при −23 градусах Цельсия. Уже в этом году американские ученые получили сверхпроводимость гидрида лютеция, легированного азотом, при комнатной температуре и умеренно экстремальном давлении. Впрочем, другие группы воспроизвести их результаты пока не смогли. Группа корейских физиков под руководством Ли Сукбэ (Sukbae Lee) из Центра исследований квантовой энергии обнаружила, что в материале на основе апатита свинца Pb10-xCux(PO4)6O (доля x составляет от 0,9 до 1,1) сверхпроводящие свойства наблюдаются при комнатной температуре и атмосферном давлении, то есть без необходимости сжимать образец до сотен миллионов атмосфер. Материал LK-99 получен с помощью твердотельного синтеза в герметичной трубке, вакуумированной до 1,3 × 10-6 атмосфер. Анализ полученного порошка LK-99 при помощи рентгеновской дифракции показал, что величина постоянной его кристаллической решетки на 0,48 процентов меньше, чем у апатита свинца. Ученые связали это изменение с частичным замещением атомов свинца на более компактные по размеру атомы меди. Авторы исследования полагают, что это привело к возникновению внутренних механических напряжений в кристалле, которые в конечном итоге и стали причиной сверхпроводимости. Наличие сверхпроводимости в материале ученые подтвердили, наблюдая левитацию образца в магнитном поле за счет эффекта Мейснера, а также исследуя зависимость удельного сопротивления вещества от температуры. Физики определили, что критическая температура (Тс), при которой образец LK-99 терял сверхпроводящие свойства, составляет от 104 до 127 градусов Цельсия. Ниже этой температуры ученые выделили несколько характерных участков. В диапазоне до примерно 60 градусов Цельсия удельное сопротивление практически равнялось нулю с незначительными шумовыми сигналами. При более высоких температурах наблюдался плавный рост удельного сопротивления. Авторы интерпретировали этот рост как локальные нарушения сверхпроводимости в отдельных областях поликристаллического образца. Если результаты корейских физиков подтвердятся, LK-99 может стать первым веществом со сверхпроводимостью при комнатной температуре и атмосферном давлении. Впрочем, исследования сверхпроводимости при комнатной температуре часто вызывают вопросы у научного сообщества, даже если добираются до публикации в рецензируемых журналах. Например, после проверок в 2022 году из Nature отозвали статью американских исследователей, которые нашли сверхпроводимость при 17 градусах Цельсия в смеси сероводорода, метана и водорода. Технические вопросы, из-за которых отозвали статью о сверхпроводимости углеродистого сероводорода, возникли и к этой работе. Так, сомнения в обоснованности выводов корейских ученых высказал профессор химического факультета МГУ Евгений Антипов, который вместе с Сергеем Путилиным открыл в 1993 году новое семейство ртутьсодержащих сверхпроводящих купратов. Один из них — HgBa2Ca2Cu3O8+x — на настоящий момент имеет рекордную подтвержденную на данный момент критическую температуру, −138 градусов Цельсия. В разговоре с N + 1 химик прокомментировал открытие коллег: «Я не думаю, что эта статья выйдет в каком-либо серьезном журнале, потому что она не отвечает принятым стандартам. У меня вызывает большие сомнения возможность реализации сверхпроводимости в соединении с такой формулой. Это оксофосфат двухвалентного свинца, а двухвалентный свинец отличается тем, что у него свободные электроны локализованы, они не могут переходить в зону проводимости — а значит они будут локализованы на катионах свинца». Вопросы у Антипова вызвала и возможность замещения двухвалентного свинца на двухвалентную медь в том синтезе, который проводили корейские ученые: «Представленные данные не убеждают в возможности такого замещения, так как в образце присутствует примесь сульфида меди Cu2S. С точки зрения кристаллохимии это выглядит не очень обоснованно, а с точки зрения эксперимента — они получили образец с примесями, при этом примеси там много. Поэтому говорить, что медь находится в позиции свинца, когда она присутствует в виде примесей — не обосновано». Физики продолжают изучать различные вещества и способы достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Например, ранее мы писали, как сверхпроводимость ищут даже в радиоактивных веществах. О том как механическое напряжение помогает получить состояние сверхпроводимости в графене читайте в нашем материале «Тонко закручено».