Потоки на таких планетах, как Земля, характеризуются многими особенностями, такими как вращение и разница температур между горячим ядром и холодной поверхностью. Эти потоки имеют очень большие размеры, и исследовать их очень сложно. Для их изучения доктор Маттео Мадония поставил уникальный эксперимент под названием TROCONVEX - вращающийся цилиндр с разницей температур снизу и сверху и максимальной высотой 4 метра. TROCONVEX позволяет исследователям изучать новые формы поведения, которые могут помочь нам понять планетарные потоки. Мадония успешно защитил диссертацию 13 апреля 2022 года.
Планетарные потоки, такие как атмосфера Земли или ее внешняя оболочка, довольно трудно изучать не только из-за их большого размера, но и из-за их сложности. На самом деле, на них влияет множество факторов: вращение планеты, разница температур между верхней и нижней поверхностями, сферическая геометрия и часто множество других факторов, таких как магнитные поля или их "плоскостность".
Маттео Мадония, исследователь из исследовательской группы Fluid and Flows кафедры прикладной физики, решил изучить упрощенную модель планетарного потока, которая учитывает только большое вращение и разницу температур. Однако даже такое огромное сокращение приводит к тому, что система не может быть полностью понята.
Хаос
Потоки, находящиеся под влиянием быстрого вращения, имеют свойство организовываться в красивые вертикальные структуры, в то время как потоки, находящиеся между горячим низом и холодным верхом, ведут себя очень хаотично. Если смешать эти два эффекта, то можно получить множество различных состояний потока, которые ведут себя по-разному в зависимости от баланса между двумя силами.
Кроме того, для изучения потоков размером с планету необходимо достичь очень высоких вращательных сил, что очень трудно сделать путем численного моделирования потока, и это возможно только при использовании очень высоких контейнеров.
Именно поэтому Мадония разработал TROCONVEX - очень высокий вращающийся цилиндр с водой, которая нагревается снизу и охлаждается сверху. Используя эту установку высотой до 4 метров, он смог проанализировать конфигурации потока, которые раньше были недоступны.
Два подхода
Смешивание эффектов вращения и разницы температур, по сути, создает множество различных состояний потока, которые необходимо дифференцировать и описать. Исследователь сделал это, используя два различных подхода: первый включал использование температурных датчиков, а второй - измерение скорости.
С помощью температурных датчиков он смог проанализировать разницу в теплопередаче между верхней и нижней частью для каждого состояния, а также то, как меняется температура на разной высоте цилиндра.
Для этого он использовал специальную конфигурацию, которая позволила ему термически изолировать цилиндр, чтобы избежать утечки тепла с боков. С помощью этих измерений он смог определить новое состояние, никогда ранее не наблюдавшееся: так называемую турбулентность с влиянием вращения (RIT).
Камеры
Измерения скорости проводились в прозрачной конфигурации, которая была специально разработана для того, чтобы две камеры могли заглянуть внутрь цилиндра и проследить за движением подкрашенных частиц, которые мы вводили в жидкость. Эти две камеры могли отслеживать движение потока и предоставлять информацию о скорости в трех специальных направлениях.
С помощью этих измерений Мадония смог лучше охарактеризовать различные состояния потока, включая новый RIT, который представляет собой интересную особенность: структуру, состоящую из четырех вихрей, заполняющих сечение цилиндра.
Дальнейший анализ измерений скорости не смог точно установить, порождается ли эта структура наличием боковых стенок или самоорганизацией потока, что типично для вращающихся потоков.
По информации https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20220423130000
Обозрение "Terra & Comp".
