Физики объяснили периодическую смену направлений экваториальных ветров в стратосфере

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