Физики НИУ ВШЭ объяснили природу спиральных рукавов в вихрях

Крупные атмосферные и океанические вихри обязаны своей формой неравномерному распределению скоростей потока. Исследователи из НИУ ВШЭ и ИТФ имени Ландау выяснили, что связи между частицами жидкости в таких структурах сохраняются на огромных расстояниях, но ослабевают с разной интенсивностью в зависимости от направления, создавая характерные спиральные узоры.

Для понимания динамики турбулентных потоков ученые анализируют корреляцию скоростей в разных точках среды. В условиях быстрого вращения трехмерной жидкости формируется когерентный вихрь — устойчивая структура, где взаимодействие мелких пульсаций определяет общую статистику течения. Профессор Сергей Вергелес и доцент Леон Огородников проследили, как радиальные, азимутальные и вертикальные компоненты скорости взаимодействуют внутри таких образований.

Ключевым фактором оказалась пространственная неоднородность вращения. Элементы жидкости на разном удалении от оси совершают полный оборот за разное время, что провоцирует медленное, логарифмическое ослабление связей именно вдоль окружности вихря. В радиальном направлении корреляция падает значительно быстрее, что и приводит к вытягиванию потока в плотные спиральные рукава. Этот механизм схож с процессами формирования рукавов в галактиках, где дифференциальное вращение также диктует геометрию системы.

Исследователи также установили, что связи между идентичными компонентами скорости практически не зависят от способа подачи энергии в систему. Напротив, корреляции между разными компонентами — например, азимутальной и радиальной — оказались крайне чувствительны к внешним энергетическим воздействиям. Эти данные позволяют точнее моделировать поведение циклонов, антициклонов и океанических течений, уточняя математические описания природных процессов.