滑らかな流体の流れが無秩序な渦に分裂する乱気流は、でこぼこした飛行機に乗るだけではありません。また、大気、海洋、および配管を記述するために使用される数学そのものにレンチを投げかけます。乱流は、流体の流れを支配する法則であるナビエ・ストークス方程式が非常に難しいことで有名な理由であり、それらが常に機能するかどうかを証明する人は誰でも、クレイ数学研究所から百万ドルを獲得します.
しかし、乱気流の信頼性の低さは、それ自体信頼性があります。乱流はほとんどの場合、より大きな流れからエネルギーを奪い、それを小さな渦に導きます。これらの渦は、そのエネルギーをさらに小さな構造に伝達します。密閉された部屋で天井の扇風機のスイッチを切ると、空気はすぐに静まり返ります。大きな突風はどんどん小さな渦に溶け込み、空気の層に完全に消えてしまいます。
しかし、現実を 2 次元に平面化すると、渦は消散する代わりに力を合わせます。逆カスケードと呼ばれる奇妙な効果では、理論物理学者のロバート・クライクナンが 1960 年代にナビエ・ストークス方程式から最初に見つけ出した効果で、平坦化された流体内の乱流はエネルギーをより大きなスケールに伝達し、小さなスケールには伝達しません。最終的に、これらの二次元システムは、渦や川のような噴流のような大きくて安定した流れに組織化されます。これらの流れは、むしろ吸血鬼のように、逆ではなく、乱気流からエネルギーを吸い取ることによって自らを支えます.
逆カスケード効果は何十年も前から知られていましたが、最終的な安定した流れがどのように見えるかを数学的に定量的に予測することは、理論家を避けてきました。しかし、2014 年にかすかな希望が訪れました。現在、英国のアストン大学にいるジェイソン ローリーと彼の同僚は、厳密で特定の条件下での流れの形状と速度の完全な説明を発表しました。それ以来、先月発表された新しいシミュレーション、研究室での実験、および理論計算は、チームの計算を正当化し、予測が崩れ始めるさまざまなケースを調査しました。
これはすべて、単なる思考実験のように思えるかもしれません。宇宙は平らではありません。しかし、地球物理学者と惑星科学者は、実際の海洋と大気はしばしば平らなシステムのように振る舞うのではないかと長い間疑っていました.
結局のところ、地球、特に木星や土星のような巨大ガス惑星では、天候は大気の薄く平らなスラブに限定されています。ハリケーンやメキシコ湾流のような大きなパターン、そして木星の巨大な水平雲の帯や大赤斑は、すべて小さなスケールからエネルギーを供給している可能性があります.ここ数年、地球と他の惑星の両方で風を分析している研究者は、2 次元の乱気流の明らかな兆候である、より大きなスケールに流れるエネルギーの兆候を検出しました。彼らは、その行動が停止または開始するように見える条件のマッピングを開始しました.
小規模だが献身的な研究者コミュニティの希望は、2 次元流体の風変わりだが単純な世界を、他の方法では突き抜けられないほど厄介であることが証明されているプロセスへの新たな入り口として使用することです。ブラウン大学の物理学者であるブラッド・マーストンは、「彼らは実際に 2 次元で進歩することができます」と述べ、「これは私たちのほとんどの乱気流研究について言えること以上のものです」と述べています。
空中
2003 年 9 月 14 日、米国海洋大気庁 (NOAA) は 203 ノットの突風で大西洋岸に降り注ぐカテゴリー 5 のハリケーンであるイザベルに航空機を送り込みました。 P>
NOAA は、ハリケーンの予測を改善するための重要なデータである、ハリケーンの底の乱気流の測定値を取得したいと考えていました。これは、有人航空機がこれまでに試みた最初で最後のものでした。最低でも、飛行は荒れ狂う海のわずか60メートル上空を滑空しました。最終的に、塩水噴霧が飛行機の 4 つのエンジンの 1 つを詰まらせ、パイロットは嵐の最中にエンジンを失いました。ミッションは成功しましたが、非常に悲惨だったため、NOAA はその後、このような低空飛行を完全に禁止しました。
約 10 年後、David Byrne がこれらのデータに興味を持つようになりました。スイス連邦工科大学チューリッヒ校の物理学者であるバーンは、以前にラボ実験で乱流エネルギー移動を研究していました。彼は、自然界でそのプロセスを捉えることができるかどうかを確認したかったのです。彼は、イザベルへの次のフライト (離陸しなかったフライト) を予約していた NOAA の科学者、Jun Zhang に連絡を取りました。風速の分布を分析することで、2 人は大きな変動と小さな変動の間でエネルギーが移動する方向を計算しました。
海抜約 150 メートルからハリケーン自体の大きな流れに至るまで、乱気流が 2 次元での振る舞いを開始したことをペアは発見しました。これは、ウィンド シアーによって、渦が垂直に伸びるのではなく、それぞれの薄い水平層にとどまることを余儀なくされたことが原因である可能性があります。しかし、理由が何であれ、分析の結果、乱流エネルギーが小さなスケールから大きなスケールへと流れ始め、おそらく下からイザベルにエネルギーを供給していることがわかった.
彼らの研究は、乱気流がハリケーンに追加の燃料源を提供する可能性があることを示唆しており、おそらく、状況が弱めるべきであることを示唆しているにもかかわらず、一部の嵐が強さを維持する理由を説明しています. Zhang 氏は現在、無人飛行とより優れたセンサーを使用して、そのケースを強化することを計画しています。 「それを証明できれば、本当に素晴らしいことです」と彼は言いました。
さらに平らな大気を持つはるかに大きな世界である木星では、研究者は乱気流が二次元と三次元の挙動の間で切り替わる場所も特定しました。
Voyager による風速測定値 1970 年代に木星を通過した探査機は、木星の大きな流れが小さな渦からエネルギーを得ることをすでに示唆していました。しかし 2017 年、オックスフォード大学の物理学者であるピーター リードと当時のポスドクだったローランド ヤングは、宇宙探査機カッシーニからのデータを使用して風速マップを作成しました。 は、2000 年に土星に向かう途中で木星を通過しました。彼らは、2 次元乱流の特徴である、ますます大きな渦にエネルギーが流れ込むのを見ました。
しかし、木星について単純なことは何もありません。より小さなスケールでは、ニューヨークとロサンゼルスの間の距離かそれ以下の距離の表面のパッチ全体で、代わりにエネルギーが散逸しており、他のプロセスも進行している必要があることを示しています.そして 3 月、Juno 木星を周回する宇宙船は、木星の表面の特徴が大気の奥深くまで広がっていることを発見しました。このデータは、流体力学だけでなく、磁場が雲の帯を形成していることを示唆しています。
フランスのリヨンにある École Normale Supérieure (ENS) で乱気流を研究している Freddy Bouchet にとって、2 次元モデルは依然として役立つので、これはそれほど落胆することではありません。 「類推が完璧であるべきだと考える人はいないと思います」と彼は言いました。
論文の進捗状況
2017 年末、同じく ENS の Bouchet と Eric Woillez は、2 次元の流体の流れが惑星の大気などの回転系をどのように説明できるかについて、独自の理論的説明をスケッチしました。
彼らの研究は、より小さな乱気流から構築された流れが、裏庭の望遠鏡を通して木星に見える交互するバンドの巨大なパターンとどのように一致するかを示しています。そのため、「実際の現象を議論するのに非常に関連性があります」と Bouchet 氏は述べています。
ブシェの研究は、環境とのバランスを取りながらエネルギーやその他の量を交換する大規模な流れの統計を考慮することに依存しています。しかし、これらの流れがとる形を予測する別の道があり、それは流体力学の根底にある同じ難解なナビエストークス方程式から始まります。
イスラエルのワイツマン科学研究所のペンと紙の理論家である Gregory Falkovich は、この 10 年間の初めの 2 年間、「まったく実りのない」年で、これらの方程式をじっと見つめていました。彼は、エネルギーの流れが、小さな乱流渦とそれらに供給される大きな流れとの間でどのようにバランスを取るかを書き出そうとしました.
圧力に関連する 1 つの用語が、解決の妨げになりました。だからファルコビッチはそれを落とした。その厄介な用語を破棄し、この系の渦は短命すぎて相互作用できないと仮定することで、ファルコビッチと彼の同僚は、この場合のナビエストークス方程式を解くのに十分な方程式を使いこなしました。それから彼は、当時ポスドクだったジェイソン・ローリーに、それを証明する数値シミュレーションを実行するように命じました。 「乱気流で正確な結果が得られるのはいつでも素晴らしいことです」とマーストンは言いました。 「それらはまれです。」
チームの 2014 年の論文では、結果として生じる大きな流れ (この状況では大きな渦) の速度が、その中心からの距離に応じてどのように変化するかについての公式を発見しました。それ以来、さまざまなチームが、ファルコビッチの幸運な近道を弁明する理論的根拠を埋めてきました。
物理学者は、流体の純粋な数学と地球物理学的プロセスへの洞察の見返りを期待して、単純な四角い箱の外に式を押し出し、どこで機能しなくなるかを突き止めようとしました.たとえば、正方形から長方形に切り替えるだけで劇的な違いが生まれます。この場合、乱気流がジェットと呼ばれる川のような流れを引き起こし、式が失敗し始めます。
今のところ、最も単純なケースである正方形のボックスの数学でさえ、完全には解決されていません。ファルコビッチの式は、大きな安定した渦自体を表していますが、その周りでまだちらつき、変動している乱流の渦は表していません。他の状況のように、それらが十分に変動する場合、これらの変動は安定した流れを圧倒します。しかし、ちょうど 5 月に、Falkovich の研究室の 2 人の元メンバー — 同じく ENS の Corentin Herbert とプリンストン大学の Anna Frishman — が、これらの変動の大きさを説明する論文を発表しました。 「アプローチの限界を少し教えてくれます」と Herbert 氏は言います。
しかし、最終的に彼らの希望は、はるかに豊かな現実を説明することです. Frishman の場合、Juno から返された写真 太陽系最大のコーヒーに注がれたクリームのように渦巻くジェットと竜巻のファンタジーランドを示す木星上のミッションは、原動力となっています。 「それが私が理解するのに役立つものであれば、それは素晴らしいことです.
6 月 28 日訂正:この記事の元のバージョンでは、研究者の姓名が入れ替わっていました。彼の名前は、ハーバート コランタンではなく、コランタン ハーバートです。
この記事は Wired.com に転載されたものです。
