Российские физики показали, как из хаоса рождается порядок

Сотрудники факультета физики НИУ «Высшая школа экономики» и Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН Игорь Колоколов и Владимир Лебедев построили аналитическую теорию, которая связывает структуру когерентных вихрей, формирующихся за счет обратного каскада в двумерной турбулентности, со статистическими свойствами гидродинамических флуктуаций. Эта связь может оказаться полезной для объяснения особенностей таких атмосферных явлений, как циклоны и антициклоны. Результаты исследования опубликованы в Journal of Fluid Mechanics.

«Речь идет о рождении порядка из хаоса. Мы получили аналитические соотношения, объясняющие результаты численных и лабораторных экспериментов по формированию когерентных вихрей (устойчивых вихревых движений), связав характеристики вихря со статистическими свойствами хаотических флуктуаций течения», — рассказал один из авторов статьи, Владимир Лебедев.

В работе исследователей построена последовательная аналитическая теория, описывающая как интенсивное среднее течение вихрей, так и флуктуации на его фоне, которые представляют собой хаотические во времени и пространстве изменения скорости течения. Ученые показали, что вихри обладают универсальной структурой, когда имеется интервал, где азимутальная скорость не зависит от расстояния до центра, и определили статистические свойства флуктуаций. Знание этих свойств позволяет, например, проанализировать процессы перемещения и перемешивания всевозможных примесей турбулентным потоком.

Теория объясняет результаты лабораторного эксперимента и численного моделирования двумерной турбулентности, где ранее наблюдались когерентные вихри. Ученые подчеркивают, что речь идет не о каких-нибудь полуэмпирических формулах, обобщающих данные численных и натурных экспериментов, а именно о соотношениях, полученных из первых принципов гидродинамики. Ценность аналитических результатов заключается как в их мощной предсказательной силе, так и в возникновении интуитивного понимания самого природного явления.

Как отмечают ученые, несмотря на то, что физика атмосферы гораздо богаче, чем гидродинамика тонкого слоя жидкости, есть все основания считать когерентными структурами, родившимися из хаоса, такие крупномасштабные атмосферные явления, как циклоны, антициклоны и ураганы. Это приближает нас к пониманию причин возникновения самих явлений, а возможно, в отдаленной перспективе, и к управлению этими силами.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.