Физики раскрыли механизм формирования спиральных рукавов в вихрях

Спиральные рукава в атмосферных циклонах и океанических вихрях возникают из-за специфического затухания связей между скоростями частиц жидкости. Исследователи из НИУ ВШЭ и Института теоретической физики имени Ландау установили, что дифференциальное вращение среды растягивает потоки вещества, формируя характерную структуру, которая сохраняется на больших расстояниях.

Физики Сергей Вергелес и Леон Огородников проанализировали поведение быстро вращающейся трехмерной жидкости, чтобы понять, как устроены крупные вихревые потоки. Ученые сфокусировались на трех компонентах скорости: радиальной, азимутальной и вертикальной. Выяснилось, что корреляция скоростей частиц ослабевает неравномерно. Медленнее всего связь затухает вдоль окружности вихря, тогда как по радиусу этот процесс идет значительно быстрее, подчиняясь степенному закону.

Разница в угловых скоростях на разных расстояниях от центра приводит к тому, что участки жидкости совершают полный оборот за разное время. Это растягивает структуру вдоль направления вращения и сжимает ее поперек, создавая отчетливые спиральные рукава. Аналогичные процессы, по мнению авторов работы, могут отвечать и за формирование спиральных галактик, несмотря на фундаментальные различия в физике сред.

Исследование показало, что корреляции между одинаковыми компонентами скорости практически не зависят от того, как именно энергия поступает в систему. В то же время связи между разными компонентами оказались крайне чувствительны к способу «накачки» энергии. Полученные данные помогут уточнить численные модели атмосферной и океанической динамики, а также улучшить прогнозирование вихревых структур на Земле и других планетах.