Эксперимент в лаборатории раскрыл механизмы распределения энергии в атмосфере Земли

Международная группа исследователей из Великобритании и Франции под руководством профессора Питера Рида из Оксфордского университета (University of Oxford) в ходе лабораторных испытаний успешно реконструировала ключевые механизмы энергетического обмена, протекающие в земной атмосфере.

Атмосферные потоки охватывают колоссальный диапазон масштабов — от глобальных струйных течений, протяженность которых измеряется тысячами километров, до мимолетных микровихрей. Их сложное взаимодействие описывается через механизмы каскадной передачи энергии и углового момента (меры вращательного движения), определяющие характер перераспределения сил в турбулентной среде.

Долгое время эмпирические метеорологические данные и теоретические расчеты демонстрировали существенные расхождения в понимании этих процессов. Для верификации физических основ ученые сконструировали установку, имитирующую условия планетарной циркуляции. Она представляет собой вращающийся резервуар, заполненный смесью воды и глицерина, где заданная разница температур между стенками моделирует естественный тепловой градиент от экватора к полюсам.

Источник: Shan-Shan Ding et al.

Динамика среды отслеживалась при помощи специальных микрочастиц-трассеров, что позволило детально измерить распределение энергии и углового момента на различных уровнях. Анализ показал: в макромасштабах энергия стремительно убывает при переходе к более мелким структурам, в то время как на микроуровне её концентрация остается практически неизменной. Данная корреляция полностью согласуется с реальными атмосферными измерениями.

Эксперимент подтвердил разнонаправленность каскадных процессов: энергия аккумулируется от малых вихрей к глобальным потокам, тогда как угловой момент мигрирует в противоположную сторону. Это проясняет структуру энергетического спектра атмосферы и его устойчивость в планетарных масштабах. При этом интенсивность данных процессов прямо зависит от скорости вращения системы и термического контраста.

Кроме того, была выявлена значимая роль вертикального температурного градиента в формировании характеристик каскадов. Этот фактор зачастую игнорируется в современных прогностических моделях, что, вероятно, и служит причиной их погрешностей.

Полученные выводы существенно уточняют физику турбулентных процессов и могут стать фундаментом для разработки более совершенных климатических прогнозов. Глубокое понимание механизмов энергообмена в атмосфере критически важно для моделирования её долгосрочных изменений в условиях глобальной трансформации климата.

Источник: iXBT