혼란스러운 소용돌이로 부드러운 유체 스트림을 파편화하는 난기류는 울퉁불퉁 한 비행기 타기 만하는 것이 아닙니다. 또한 분위기, 바다 및 배관을 묘사하는 데 사용되는 수학에 렌치를 던집니다. 난기류는 Navier-Stokes 방정식 (유체 흐름을 통제하는 법률)이 너무 유명하여 항상 일하는 사람이 항상 일하는 사람이 Clay Mathematics Institute에서 백만 달러를 이길 것인지를 증명하는 이유입니다.
그러나 난기류의 신뢰성은 그 자체로 신뢰할 수 있습니다. 난기류는 거의 항상 더 큰 흐름에서 에너지를 훔치고 더 작은 에디로 수로를 채 웁니다. 이 에디는 에너지를 더 작은 구조물로 옮깁니다. 닫힌 방에서 천장 선풍기를 끄면 공기가 곧 떨어질 것입니다. 큰 돌풍이 더 작고 작은 에디로 녹아 공기의 두께로 완전히 사라지면서 공기가 계속 떨어질 것입니다.
그러나 현실을 2 차원으로 평평하게 할 때 에디는 소산 대신 힘을 결합합니다. 이론적 물리학 자 Robert Kraichnan은 1960 년대 Navier-Stokes 방정식에서 처음으로 낚시를하는 역 캐스케이드라고 불리는 호기심 많은 효과에서 평평한 유체의 난기류는 더 작은 규모까지 에너지를 더 큰 규모까지 통과시킵니다. 결국,이 2 차원 시스템은 소용돌이 나 강과 같은 제트기와 같은 크고 안정적인 흐름으로 구성됩니다. 뱀파이어와 마찬가지로이 흐름은 다른 방법 대신 난기류에서 에너지를 빨아 들여 스스로를 지원합니다.
역 캐스케이드 효과는 수십 년 동안 알려져 왔지만, 그 최종의 안정적인 흐름이 어떻게 보이는지에 대한 수학적이고 정량적 인 예측은 이론가들을 피했다. 그러나 2014 년에 영국의 애스턴 대학교 (Aston University)에있는 제이슨 로리 (Jason Laurie)와 그의 동료들은 엄격하고 구체적인 조건 하에서 흐름의 모양과 속도에 대한 전체 설명을 발표했을 때 희망의 희미한 소리가 나왔습니다. 그 이후로 지난 달과 마찬가지로 최근에 발표 된 새로운 시뮬레이션, 실험실 실험 및 이론적 계산은 팀의 계산을 정당화하고 예측이 무너지기 시작하는 다른 사례를 탐색했습니다.
이 모든 것이 생각 실험처럼 보일 수 있습니다. 우주는 평평하지 않습니다. 그러나 지구 물리학 자와 행성 과학자들은 실제 바다와 분위기가 종종 평평한 시스템처럼 행동하여 실제 문제와 놀랍게도 2 차원 난기류의 복잡성을 만들어 낸다고 오랫동안 의심해 왔습니다.
.결국, 지구, 특히 목성과 토성과 같은 가스 거대한 행성에서 날씨는 얇고 아픈 대기 석판에 국한됩니다. 허리케인이나 걸프 스트림과 같은 큰 패턴과 목성의 거대한 수평 클라우드 밴드와 그레이트 레드 스팟은 모두 작은 규모의 에너지를 먹일 수 있습니다. 지난 몇 년 동안, 지구와 다른 행성에서 바람을 분석하는 연구자들은 2 차원 난기류의 텔레 표시 인 더 큰 규모로 흐르는 에너지의 시그니처를 감지했습니다. 그들은 그 행동이 멈추거나 시작되는 것처럼 보이는 조건을 매핑하기 시작했습니다.
작지만 헌신적 인 연구원들에게 희망은 기발하지만 단순한 2 차원 유체의 세상을 사용하는 것이 틀림없이 지저분한 프로세스에 대한 새로운 진입 점으로 사용하는 것입니다. 브라운 대학교의 물리학자인 브래드 마 스턴 (Brad Marston)은“실제로 진전을 이룰 수있다”고 말했다.
공기 중
2003 년 9 월 14 일, 국립 해양 대기 관리국 (NOAA)은 항공기를 이사벨로 보냈습니다. 이사벨 (Isabel)은 203 노트까지 바람이 불고있는 대서양 해안에있는 카테고리 5 허리케인을 보냈습니다.
.NOAA는 허리케인 예측을 개선하기위한 중요한 데이터, 허리케인 바닥에서 난기류를 읽고 싶어했습니다. 이것은 승무원 항공기가 시도한 첫 번째이자 마지막이었습니다. 가장 낮은 비행기는 휘젓는 바다 위에 불과 60 미터 떨어진 곳에 빠져 들었습니다. 결국 소금 스프레이는 비행기의 4 개의 엔진 중 하나를 막았고 조종사는 폭풍 중에 엔진을 잃었습니다. 미션은 성공했지만, 나중에 NOAA는 이와 같은 저수준 항공편을 금지했습니다.
약 10 년 후 David Byrne 은이 데이터에 관심을 가졌습니다. 스위스 연방 기술 Institute of Technology Zurich의 물리학자인 Byrne은 이전에 실험실 실험에서 난류 에너지 전달을 연구했습니다. 그는 자연에서 그 과정을 잡을 수 있는지보고 싶었습니다. 그는 다음 비행기에서 이사벨 (이사하지 않은 비행)에 예약 된 NOAA 과학자 Jun Zhang에게 연락했다. 풍속의 분포를 분석함으로써, 두 사람은 에너지가 크고 작은 변동 사이에서 이동하는 방향을 계산했습니다.
바다 위의 약 150 미터에서 시작하여 허리케인 자체의 큰 흐름으로 이어지는 난기류는 두 차원에서하는 방식으로 행동하기 시작했다. 이것은 바람 전단으로 인해 에디가 수직으로 스트레칭하는 대신 각각의 얇은 수평 층에 머물도록 강요했기 때문일 수 있습니다. 그 이유가 무엇이든, 분석은 난류 에너지가 작은 규모에서 큰 규모로 흐르기 시작했으며 아마도 아래에서 이사벨을 먹이기 시작했다.
.그들의 연구는 난기류가 허리케인에게 추가 연료 공급원을 제공 할 수 있으며, 아마도 일부 폭풍이 왜 조건이 약해져야한다고 제안하더라도 힘을 유지하는지 설명 할 수 있다고 제안합니다. Zhang은 이제 해방되지 않은 항공편과 더 나은 센서를 사용하여 해당 케이스를 강화할 계획입니다. "우리가 그것을 증명할 수 있다면 정말 놀랍습니다."라고 그는 말했다.
더 평평한 분위기를 가진 훨씬 더 큰 세상 인 목성에서 연구원들은 2 차원과 3 차원 행동 사이의 난기류가 전환되는 곳을 정확히 지적했습니다.
voyager 가 취한 풍속 측정 1970 년대 목성을 지나가는 프로브는 이미 목성의 큰 흐름이 작은 에디로부터 에너지를 얻는다 고 제안했다. 그러나 2017 년 옥스포드 대학교의 물리학자인 Peter Read와 당시 그의 박사 학위 인 롤랜드 영은 우주 프로브 카시니 의 데이터를 사용하여 풍속지도를 만들었습니다. 2000 년 목성을 지나서 토성으로가는 길. 그들은 에너지가 2 차원 난기류의 특징 인 더 크고 더 큰 에디로 흐르는 것을 보았습니다.
그러나 목성에 대한 것은 간단하지 않습니다. 뉴욕과 로스 앤젤레스 사이의 거리에 대한 표면 패치를 가로 질러 작은 규모에서 대신 에너지가 소산되어 다른 프로세스도 피해야 함을 나타냅니다. 그런 다음 3 월에 juno 우주선 궤도 목성은 행성의 표면 특징이 대기까지 깊게 확장된다는 것을 발견했습니다. 데이터는 유체 역학뿐만 아니라 자기장이 클라우드 밴드를 조각했음을 시사합니다.
프랑스 리옹의 École Normale Supérieure (ENS)에서 난기류를 연구하는 Freddy Bouchet의 경우 2 차원 모델이 여전히 도움이 될 수 있기 때문에 너무 낙담하지 않습니다. "나는 아무도 비유가 완벽해야한다고 생각하지 않는다"고 그는 말했다.
종이의 진행
2017 년 말 Bouchet과 Eric Woillez는 ENS에서 2 차원 유체 흐름이 행성의 분위기와 같은 회전 시스템을 어떻게 설명 할 수 있는지에 대한 이론적 설명을 스케치했습니다.
그들의 작업은 작은 난기류로 만들어진 흐름이 어떻게 뒤뜰 망원경을 통해 목성에 보이는 대체 밴드의 막대한 패턴과 일치 할 수 있는지 보여줍니다. Bouchet은“실제 현상을 논의하는 데 실제로 관련이 있습니다.
Bouchet의 작업은 대규모 흐름의 통계를 고려하는 데 의존하며, 이는 에너지 및 기타 양을 환경과 균형있게 교환합니다. 그러나이 흐름이 취할 형태를 예측하는 또 다른 길이 있으며, 유체 역학의 근원에있는 동일한 폐쇄성 Navier-Stokes 방정식으로 시작합니다.
.이 10 년 초에 2 년 동안 이스라엘의 Weizmann Institute of Science의 펜 앤 페이퍼 이론가 인 그레고리 팔코비치 (Gregory Falkovich)는 그 방정식을 응시했다. 그는 에너지의 흐름이 작은 난류 에디와 단순한 경우에 더 큰 흐름을 먹이는 방법을 기록하려고 노력했습니다. 평평한 정사각형 상자.
압력과 관련된 단일 용어는 해결책을 방해했습니다. 그래서 Falkovich는 방금 떨어 뜨 렸습니다. Falkovich와 그의 동료들은이 시스템의 에디가 서로 상호 작용하기에는 너무 짧다고 가정 함으로써이 경우 Navier-Stokes 방정식을 해결할 수있는 방정식을 길들여 보냈다. 그런 다음 그는 당시 그의 박사후 제이슨 로리 (Jason Laurie)를 임무를 수행하여 수치 시뮬레이션을 실행하여 입증했습니다. Marston은“난기류가 정확한 결과가 나면 항상 좋습니다. “이것은 드물다.”
팀의 2014 년 논문에서 그들은 큰 흐름의 속도 (이 상황에서 큰 소용돌이)의 속도가 자체 중심에서 멀리 떨어져있는 방법에 대한 공식을 찾았습니다. 그리고 그 이후로, 다양한 팀이 이론적 근거를 채워서 Falkovich의 행운의 지름길을 변명했습니다.
물리학 자들은 유체의 순수한 수학에 대한 보상과 지구 물리학 과정에 대한 통찰력을 기대하면서 간단한 사각형 상자 밖에서 공식을 밀어내어 작동을 멈추는 곳을 알아 내려고 노력했습니다. 예를 들어 사각형에서 사각형으로 전환하면 극적인 차이가 있습니다. 이 경우 난기류는 공식이 실패하기 시작하는 제트라고 불리는 강과 같은 흐름을 공급합니다.
현재로서는 가장 간단한 케이스 인 Square Box의 수학조차 완전히 정착되지 않았습니다. Falkovich의 공식은 큰 안정적인 소용돌이 자체를 설명하지만 여전히 깜박 거리고 변동하는 격동적인 에디는 아닙니다. 그들이 다른 상황에서와 같이 충분히 다양하다면, 이러한 변동은 안정적인 흐름을 압도합니다. 그러나 5 월에 Falkovich의 실험실 인 Corentin Herbert와 ENS의 Corentin Herbert와 Princeton University의 Anna Frishman은 이러한 변동의 크기를 설명하는 논문을 발표했습니다. 허버트는“이것은 접근 방식의 한계가 무엇인지 조금 가르쳐 준다”고 말했다.
그러나 그들의 희망은 궁극적으로 훨씬 더 풍부한 현실을 묘사하는 것입니다. Frishman의 경우 사진은 juno 에서 돌아 왔습니다 목성에 대한 미션 - 태양계 최대의 커피에 쏟아진 크림처럼 소용돌이 치는 제트기와 토네이도의 환상을 보여주는 것은 운전의 영향입니다. "내가 이해하는 데 도움이 될 수있는 것이라면 멋질 것입니다."라고 그녀는 말했습니다.
수정 6 월 28 일 :이 기사의 원본 버전은 연구원의 첫 번째 및 성을 교환했습니다. 그의 이름은 Herbert Corentin이 아닌 Corentin Herbert입니다.
이 기사는 Wired.com에서 재 인쇄되었습니다.
