Фізики описали механізм виникнення в екваторіальній зоні стратосфери Землі системи вітрів, які приблизно раз на рік змінюють свій напрямок зі східного на західний. За допомогою двох типів комп'ютерних моделей - точної і наближеної - вдалося показати, що до такого ефекту призводить взаємодія турбулентної конвективної хвилі зі стійкою шаркостою структурою вертикальних потоків біля неоднорідно нагрітої поверхні. Виявлений механізм описує процеси, що відбуваються не тільки в атмосфері Землі, але і в газових оболонках інших небесних тіл, наприклад Юпітера і Сонця, пишуть вчені в.
З точки зору фізики атмосфера являє собою систему, яка дуже далека від стану рівноваги. Через це багато явищ, які в ній відбуваються і визначають не тільки погоду, а й клімат, досі залишаються досить погано вивченими. Описати такі системи аналітично не вдається, а чисельне моделювання ускладнене тим, що процеси, які визначають рух повітря, одночасно відбуваються на дуже багатьох масштабах довжин - від сантиметра до сотень кілометрів - і всі вони мають взаємний вплив один на одного. Через це точне моделювання турбулентних потоків в атмосфері - дуже витратне завдання з точки зору обчислень. Тому щоб описати більшість складних явищ, які спостерігаються в атмосфері, доводиться вдаватися до спрощення моделей і шукати мінімальні умови, при яких ці ефекти починають проявлятися.
Один з таких ефектів, які не вдавалося описати за допомогою чисельного моделювання раніше, - виникнення в екваторіальній зоні стратосфери Землі впорядкованої системи вітрів, які періодично змінюють свій напрямок з західного на східний і навпаки. Напрямок цих потоків змінюється з періодичністю трохи більше року, а повний цикл цих коливань становить від 28 до 29 місяців. При цьому, формування подібних структур спостерігається не тільки в атмосфері Землі, але і в газових оболонках інших небесних тіл, зокрема Сонця і Юпітера.
Фізикам зі США і Франції під керівництвом Майкла Ле Бару (Michael Le Bars) з Марсельського університету вперше вдалося дослідити цей ефект за допомогою комп'ютерного моделювання. Для цього вчені використовували досить просту почесну модель, в якій турбулентний шар в'язкого середовища обмежується двома стінками, на одній з яких температура розподілена нерівномірно. Щоб змоделювати великомасштабну систему (її розмір у горизонтальному напрямку відповідає приблизно 10 кілометрам на Землі) без урахування зовсім маленьких вихорів, вчені запропонували використовувати наближену модель, отриману за рахунок просторового усереднення рівнянь Навьє - Стокса. Основне завдання при такому усередненні - правильно підібрати параметри, які характеризують напругу турбулентного тертя, що виникає в системі і описує вплив всіх турбулентних вихорів невеликих розмірів. У цій роботі вченим вдалося зробити це, порівнявши за ключовими характеристиками картини течій, отримані за допомогою точного рішення рівнянь Навьє - Стокса і спрощених моделей, показавши, що таким чином можна описувати динаміку подібних систем.
В результаті авторам роботи вдалося детально описати механізм, за яким відбувається утворення впорядкованих конвективних потоків в атмосфері з періодичною зміною напрямків. Виявилося, що спочатку через неоднорідний розподіл температур на нижній стінці в системі відбувається утворення двошарової структури. Знизу утворюється стійкий шар з періодичним полем вертикальних швидкостей, яке слабо змінюється з плином часу. Над ним формується другий шар з конвективною течією, в якому виникає турбулентна хвиля. А нелінійна взаємодія між цими шарами призводить до періодичної зміни напрямку горизонтальної швидкості з періодом значно більше періоду найбільш турбулентної хвилі.
При цьому єдина відмінність точного рішення від наближеного - ступінь деталізації структури течії в турбулентній хвилі, що поширюється від нижньої стінки. Через це повністю фізичний процес описати спрощений підхід поки не дозволяє, тим не менш, основні базові закономірності встановити вдалося, і на відміну від точного рішення, наближені моделі дають можливість вивчити динаміку досить великих систем на тривалих проміжках часу. Зокрема, вчені показали, що при невеликих значеннях числа Прандтля, яке характеризує теплоперенос у в'язких середовищах, відбувається збільшення горизонтальної швидкості. Тому точне значення цього параметра має враховуватися при моделюванні подібних процесів, що відбуваються в газових оболонках зірок.
Вчені відзначають, що надалі уточнення масштабного спектру кінетичної енергії в турбулентних атмосферних потоках допоможе зробити наближені моделі більш докладними і точними, що дозволить використовувати їх для опису багатьох астрофізичних і геофізичних процесів.
Правильний опис каскадної системи вихорів - одне з ключових завдань при дослідженні і моделюванні турбулентних потоків. Наприклад, нещодавно вчені показали, що дисипація, яка відбувається при передачі енергії між вихорами різного розміру, визначає багато процесів в турбулентних океанічних течіях. Допомогти при моделюванні таких процесів може правильний вибір інваріантів, одним з яких для таких потоків виявилася гідродинамічна спіральність.