Группа исследователей из Великобритании и Франции под руководством Питера Рида из Оксфордского университета провела уникальный лабораторный эксперимент. Учёным удалось в контролируемых условиях воспроизвести ключевые физические процессы, отвечающие за перенос энергии в атмосфере Земли.
Атмосферные потоки крайне неоднородны: они варьируются от глобальных струйных течений, растянувшихся на тысячи километров, до миниатюрных вихрей. Взаимодействие между ними описывается через механизм энергетических каскадов и перенос углового момента, которые и определяют то, как энергия распределяется в турбулентной среде.
Ранее данные натурных наблюдений за атмосферой и теоретические модели часто противоречили друг другу. Чтобы разрешить эти разногласия, исследователи создали специальную установку: вращающийся цилиндр, заполненный смесью воды и глицерина. Установив разницу температур между внешней и внутренней стенками, они сымитировали температурный градиент, существующий на планете между экватором и полюсами.
Для отслеживания движения жидкости в установке использовали частицы-трассеры, что позволило точно замерить распределение энергии и углового момента на различных уровнях масштабируемости. Результаты показали, что на больших масштабах энергия стремительно снижается при переходе к более мелким структурам, тогда как на малых масштабах её уровень остается практически неизменным. Это открытие напрямую подтверждает данные, полученные при анализе реальных атмосферных явлений.
Эксперимент позволил выявить разницу в направлениях каскадов: энергия движется от небольших вихрей к крупным потокам, в то время как угловой момент передается в обратном направлении. Именно этот процесс объясняет уникальные особенности спектра энергии в атмосфере и его поведение на крупных масштабах. Выяснилось, что интенсивность этих процессов напрямую зависит от скорости вращения системы и разницы температур.
Кроме того, ученые установили, что характеристики каскадов зависят от вертикального температурного градиента. Этот фактор часто игнорируется в современных атмосферных моделях, что, вероятно, и является главной причиной их расхождения с реальными данными наблюдений.
Полученные выводы позволяют глубже понять механизмы атмосферной турбулентности. В перспективе эти данные можно использовать для совершенствования климатических моделей, что крайне важно для повышения точности прогнозов погоды и понимания процессов, происходящих в условиях меняющегося климата.
