PRL: Новая концепция откроет тайны синхронизации в турбулентной динамике

Прогнозирование погоды важно для различных отраслей, включая сельское хозяйство, военные операции и авиацию, а также для предсказания стихийных бедствий, таких как торнадо и циклоны.

Оно основано на прогнозировании движения воздуха в атмосфере, которое характеризуется турбулентными потоками, приводящими к хаотическим завихрениям воздуха. Однако точное предсказание этой турбулентности остается весьма сложной задачей из-за недостатка данных о мелкомасштабных турбулентных потоках, что приводит к появлению небольших начальных ошибок. Эти ошибки, в свою очередь, могут привести к резкому изменению состояния потока в дальнейшем — явление, известное как хаотический эффект бабочки.

Чтобы решить проблему ограниченности данных о мелкомасштабных турбулентных потоках, для прогнозирования был использован метод, основанный на данных, известный как ассимиляция данных (DA). Интегрируя различные источники информации, этот подход позволяет получить подробные сведения о мелкомасштабных турбулентных вихрях на основе их более крупных аналогов. Примечательно, что в рамках методов DA был определен важнейший параметр, известный как критический масштаб длины.

Этот критический масштаб длины представляет собой точку, ниже которой вся необходимая информация о мелкомасштабных вихрях может быть экстраполирована на более крупные. Число Рейнольда, показатель уровня турбулентности в потоке жидкости, играет ключевую роль в этом контексте: более высокие значения означают повышенную турбулентность. Однако, несмотря на консенсус, достигнутый в результате многочисленных исследований, относительно общего значения критической шкалы, объяснение ее происхождения и связи с числом Рейнольда остается неуловимым.

Для решения этой проблемы группа исследователей под руководством доцента Масанобу Инубуши из Токийского научного университета (Япония) недавно предложила теоретическую схему. Они рассматривают процесс ПДР как проблему стабильности.

Рассматривая это явление турбулентности как «синхронизацию малого вихря большим» и математически относя его к „проблеме устойчивости синхронизированных многообразий“, нам впервые удалось теоретически объяснить этот критический масштаб, — объясняет доктор Инубуши.

Соавторами сообщения, опубликованного в журнале Physical Review Letters 18 декабря 2023 года, являются профессор Йошитака Сайки из Университета Хитоцубаси, доцент Мики У. Кобаяси из Университета Риссё и профессор Сусумо Гото из Университета Осаки.

Для этого исследовательская группа использовала междисциплинарный подход, объединив теорию хаоса и теорию синхронизации. Они сосредоточились на инвариантном многообразии, названном многообразием DA, и провели анализ устойчивости. Результаты показали, что критический масштаб длины является ключевым условием для DA; он характеризуется поперечными экспонентами Ляпунова (TLE), которые в конечном итоге диктуют успех или неудачу процесса DA. Кроме того, на основании недавнего открытия, показывающего зависимость максимальной экспоненты Ляпунова (LE) от числа Рейнольдса и связь TLEs с максимальной LE, они пришли к выводу, что критический масштаб длины увеличивается с ростом числа Рейнольдса, уточняя зависимость критического масштаба длины от числа Рейнольдса.

Подчеркивая важность этих результатов, доктор Инубуши говорит:

Новая теоретическая основа способна значительно продвинуть исследования турбулентности в таких важных проблемах, как непредсказуемость, энергетический каскад и сингулярность, обращаясь к области, которую физик Ричард П. Фейнман однажды назвал «одной из оставшихся трудностей классической физики».

Таким образом, предложенная теоретическая основа не только улучшает наше понимание турбулентности, но и открывает путь для новых методов, основанных на данных, которые могут повысить точность и надежность прогнозирования погоды.

Фото: NASA

04.01.2024


Подписаться в Telegram



Экология

Nature Geoscience: Тысячелетия тому назад Нил был совсем другим
Nature Geoscience: Тысячелетия тому назад Нил был совсем другим

Исследователи изучили, как развивалась ре...

Ученые впервые количественно оценили пробелы в удалении углерода
Ученые впервые количественно оценили пробелы в удалении углерода

Новое исследование, проведенное Университетом ...

NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата

Виноград, выращиваемый для производства в...

Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии

Исследователи из Токийского столичного ун...

Лаборатория Sandia нашла новые подсказки о потеплении в Арктике
Лаборатория Sandia нашла новые подсказки о потеплении в Арктике

Арктика, ледяная корона Земли, переживает клим...

EHP: Изменение климата может повлиять на вес детей при рождении
EHP: Изменение климата может повлиять на вес детей при рождении

Изменение климата может представлять большую о...

Natural Hazards: Смешанные леса защищают от цунами лучше монокультурных
Natural Hazards: Смешанные леса защищают от цунами лучше монокультурных

Прибрежные леса в Японии преимущественно ...

PTRSB: Эволюция может помешать людям решить проблему изменения климата
PTRSB: Эволюция может помешать людям решить проблему изменения климата

Центральные особенности эволюции человека могу...

Ртуть в тропиках — скрытая опасность
Ртуть в тропиках — скрытая опасность

Неоново-зеленые капюшоны, бирюзовые брюшки, на...

Открыт 3D-материал, способный расщеплять стойкий загрязнитель водоемов
Открыт 3D-материал, способный расщеплять стойкий загрязнитель водоемов

Бразильские исследователи протестировали фоток...

Physics of Fluids: Снежинки помогут ученым составлять прогноз погоды
Physics of Fluids: Снежинки помогут ученым составлять прогноз погоды

В ходе исследования, которое может улучшить пр...

Ученые выяснили, как получить менее липкий лед
Ученые выяснили, как получить менее липкий лед

Готовясь к зиме многие американцы столкну...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

JCI: Тяжелая форма COVID-19, возможно, связана с аутоантителами
JCI: Тяжелая форма COVID-19, возможно, связана с аутоантителами
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала
Каждый четвертый родитель говорит, что ребенок не может уснуть из-за тревоги
Каждый четвертый родитель говорит, что ребенок не может уснуть из-за тревоги
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Богатый белком рацион меняет микробиом кишечника и общее состояние организма
Богатый белком рацион меняет микробиом кишечника и общее состояние организма
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи

Новости компаний, релизы

Новая "Кантиана" поможет студентам быстрее адаптироваться к калининградскому климату
Российские ученые предложили тушить пожары с помощью газогидратного огнетушителя
Минералоги СПбГУ нашли на острове Диско возможный источник фосфора для возникновения первых живых организмов
Московский Политех внедряет ИИ для повышения эффективности приемной кампании и трансформации обучения
Астрономы СПбГУ узнали возраст одного из самых мощных метеорных потоков