В 1941 году русский физик Андрей Колмогоров разработал теорию турбулентности, которая служила в качестве основного фундамента для нашего понимания этого важного природного явления. Турбулентность возникает, когда поток жидкости характеризуется хаотическими физическими изменениями. Теория Колмогорова подразумевает, что переходы от одного состояния турбулентности к другому должны быть плавными.
Однако, новый эксперимент, проведенный физиками Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, опровергает такую интерпретацию теории Колмогорова. «В нашей работе мы предлагаем экспериментальные доказательства, что эти переходы действительно острые, — сказал Гюнтер Алерс, профессор физики. – Полученные данные показали нам, что интерпретация Колмогорова была неверной. Для физики это очень важный шаг вперед». Aлерс и его коллеги Пинг Вэй и Стефан Вайс изучают турбулентную конвекцию, которая играет важную роль во многих природных и техногенных процессах. Результатом турбулентной конвекции является нагревание жидкости снизу и охлаждение ее сверху. Когда перепад температур увеличивается, конвективный поток становится настолько сильным, что поле скоростей становится турбулентным.
Используя цилиндрическую вращающуюся систему, построенную командой Алерса, исследователи нагрели жидкость в нижней части так, что она расширилась и стала менее плотной, чем жидкость в верхней части. Сила тяжести заставила жидкости поменяться местами друг с другом, что в свою очередь создало турбулентность. Тогда ученые добавили вращение. «При вращении возникают новые силы, в том числе силы Кориолиса, которые раскручивают жидкость в маленькие вихри или торнадо», — объяснил Алерс. «Таким образом, система полна маленьких торнадо возле нагревательной пластины, а также вверху, только там они холодные, — добавил он. – Сначала эти смерчи не связаны, потому что они являются относительно короткими. Но по мере увеличения скорости вращения цилиндра торнадо расширяются и в конечном итоге формируют воронки над всей этой системой. Когда это происходит, физики говорят, что изменяется симметрия системы». Следующим шагом для Алерса и его команды было измерить транспорт тепла -обмен тепловой энергией, который выражается числом Нуссельта. Вильгельм Нуссельт был немецким инженером, который в начале 1900-х годов измерил перенос тепла через двойные стекла окон. «Если вы посмотрите на числа Нуссельта, то заметите там разрывы, которые указывают, что с увеличением скорости вращения перенос тепла меняется не плавно, — сказал Алерс. — Кстати, Лев Ландау сказал об этом уже давным-давно. Несмотря на то, что Ландау говорил не о турбулентных системах, его аргументы могут быть непосредственно перенесены на состоянии турбулентности». Алерс имел в виду другого российского физика и лауреата Нобелевской премии, который предположил, что, когда симметрия системы изменяется, изменения должны быть резкими.
Они не могут быть плавными, потому что система имеет только два состояния: неупорядоченное или упорядоченное, и нет ничего между ними. «Беда в том, что изучая турбулентность, ученые не думали о словах Ландау, потому что он был специалистом в совершенно другой области, — добавил Aлерс. — Но я работал в области критических явлений в течение многих лет, и хорошо знаю работу Ландау». В работе исследователи использовали длинные ряды кучевых облаков, ориентированных параллельно направлению ветра, в качестве примера естественной турбулентной конвекции.
