Новый тип турбулентности обнаружен на побережье Северной Каролины
 Анализ наблюдаемых в одном из штормов в Северной Каролине волн продемонстрировал так называемую "солитонную" турбулентность. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
«Солитон» в воде – это единичный «горб» волны, который распространяется без изменения формы. Солитоны могут появляться, когда глубина воды чуть больше амплитуды волны. С точки зрения математики они представляют собой решения нелинейного уравнения Кортевега-де Фриса, описывающего движение волн в данной ситуации.
В общем случае турбулентный поток состоит из волн и вихрей, сосуществующих на разных масштабах длины и образующих постоянно меняющуюся картину, которая может быть представлена в виде суммы простых движений. Основываясь на этом факте, около 40 лет назад российские физики предложили новые виды турбулентности, которые являются решениями уравнения Кортевега-де Фриса. Они описали движение жидкости, которое было похоже на типичную турбулентность, но на самом деле представляло собой совокупность многочисленных солитонов разных размеров. До сих пор, правда, никто не наблюдал такую «солитонную» турбулентность на практике.
Пробел восполнила совместная группа ученых из Nonlinear Waves Research Corporation и University of North Florida (США). Исследователи измеряли длины волн во время шторма в 2002 году на небольшом неглубоком участке океана в Северной Каролине. Полученный ими набор данных представляет собой последовательность измерений высоты поверхности моря, записанную с частотой 1 раз в 5 секунд на протяжении 34 часов. Глубина воды при этом была около 2,63 метра (а высота волн в среднем – около полуметра).
При анализе полученных результатов исследователи описывали турбулентные процессы с использованием графика, известного как спектр мощности, который показывает энергию движения жидкости для каждой из частот волн. Проведенный анализ дает удивительно простой спектр мощности. Для низких частот (от 0,01 до 0,2 Гц) мощность уменьшается обратно пропорционально частоте. Для частот выше 0,2 Гц мощность возрастает до резкого пика, а затем снова падает при более высоких частотах. Надо отметить, что наблюдавшийся низкочастотный спектр хорошо согласуется с ранее предсказанным российскими учеными поведением так называемой слабой волновой турбулентности на мелководье.
Ученые предложили доказательства присутствия солитонов с помощью математической техники, известной как «теория конечных разрывов», которая ранее применялась другими научными группами для выявления солитонов в Адриатическом море. Расчеты показали, что собранный в 2002 году массив данных (зафиксированную низкочастотную турбулентность) можно разложить в набор отдельных солитонов. В типичной 20-минутной последовательности данных удалось выявить 120 солитонов, некоторые из которых достигают высоты 0,1 метра и более. Средняя продолжительность пика солитона – 10 секунд.
По словам исследователей, это первый случай наблюдения «солитонной» турбулентности. Как считают представители исследовательской группы, в данном случае большую роль сыграла «правильная» глубина воды, поскольку существует четкая граница между волнами, описываемыми уравнением Кортевега-де Фриса, и теми, что образуются на более глубокой воде.
Интересно, что некоторые коллеги ученых полагают факт, что низкочастотный спектр наблюдаемого реального шторма совпадает с прогнозом российских ученых относительно слабой волновой турбулентности, простым совпадением. Дальнейшие исследования должны прояснить ситуацию.
Также по теме:
- Жидкости можно заставить скользить друг по другу
- Турбулентность поможет передавать оптические сигналы на большие расстояния
- Жидкий магнит: смешать, но не взбалтывать
- Ученые выявили неожиданные свойства у самых обычных жидкостей
- Физики объяснили, почему мед капает именно так
Источники: