Вихри фон Кармана в атмосфере: взгляд из космоса

Если вы думаете, что движение жидкости — это что-то простое и понятное, то вы глубоко заблуждаетесь. На самом деле, гидродинамика — раздел, посвящённый изучению этого движения, — один из самых сложных в физике. Колебания, вязкость, пограничные слои и, наконец, турбулентность делают жидкость труднопредсказуемой и плохо поддающейся моделированию.

Однако сложное часто красиво. Вот и в жидкости можно наблюдать весьма затейливые картинки. Одно из таких произведений природы с борта Международной космической станции заснял на камеру астронавт Кристофер Хэдфилд.

Завихрения облаков после пролёта над островом Соккоро.
Завихрения облаков после пролёта над островом Соккоро.

На фотографии выше изображён Соккоро — вулканический остров в Тихом океане недалеко от Калифорнии и Мексики. В момент съёмки в том районе дул ветер, и гонимые им облака после пролёта над островом образовали забавную вихревую структуру. Эти вихри известны в науке как вихри фон Кармана.

Математическое описание этого явления весьма сложно, однако причину возникновения завихрённостей можно описать и понять и на пальцах.

Представьте, что вы поместили в текущую жидкость карандаш — ну или любой другой предмет цилиндрической формы. Для жидкости карандаш является препятствием, и она будет его обтекать. При этом непосредственно на поверхности карандаша скорость потока жидкости будет ниже, она как бы цепляется за карандаш. Жидкость же вдали от карандаша течёт заметно быстрее.

Так вот, оказывается, что такое течение неустойчиво: то есть достаточно даже небольшой силы, направленной поперёк потока, чтобы он свернул с прямого пути, образовав завихрение. Интересно, что образование вихря приводит к перераспределению давлений таким образом, что следующий вихрь образуется уже с другой стороны цилиндра, возникают своеобразные колебания: вихри отрываются то с одной стороны, то с другой — и образуют позади препятствия то, что называется дорожкой фон Кармана. После отрыва вихрь начинает распространяться в потоке и со временем диссипирует, то есть исчезает.

Сказанное выше, возможно, выглядит несколько сложным, к тому же, как известно, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать, поэтому давайте лучше посмотрим этот процесс на видео.

©
Численное моделирование процесса образования вихревой дорожки фон Кармана.

Ну, хорошо, спросите вы, но причём же здесь облака в атмосфере? Мы же только что говорили о жидкостях, а там воздух. Дело в том, что по своим базовым динамическим свойствам газы и жидкости имеют много общего. Поэтому всё сказанное выше справедливо и для воздуха — и, кстати, создаёт заметные проблемы авиастроению, но об этом не в этот раз.

На фотографии же, снятой астронавтом, завихрения образуются из-за того, что для ветра остров представляет собой определённое препятствие. Пытаясь его обогнуть, поток воздуха из-за описанной выше неустойчивости начинает образовывать вихри, а увлекаемые им облака формируют дорожку фон Кармана.

Ну и напоследок ещё одно фото с аналогичным эффектом. На этот раз сразу две дорожки в значительно более облачный день в районе островов Робинзона Крузо и Александра Селькирка в Тихом океане. Фотография также сделана из космоса.

Пара параллельных дорожек фон Кармана в облаках над Тихим океане.
Пара параллельных дорожек фон Кармана в облаках над Тихим океане.

Кстати, очень красивые вихри в океане были засняты спутниками НАСА. Посмотреть видео можно здесь. Если же вам понравились фотографии Земли из космоса, то ваc наверняка заинтересуют победители конкурса НАСА «Земля как искусство».


Источник: Atmospheric vortices flow past an island seen from space.

comments powered by Disqus