Новая теория впервые настолько полно описывает турбулентность.
В самолете профессор Бьорн Бирнир притворяется спящим — из опасений, что сосед по креслу поинтересуется, чем он зарабатывает на жизнь. Все потому, что Бирнир — один из ведущих в мире специалистов по турбулентности. Поэтому почти неизбежны вопросы: почему авиалайнеры порой нещадно трясет? опасно ли это? что готова предложить наука в качестве мер борьбы?
Эти вопросы все больше беспокоят авиапассажиров. Когда-то казавшаяся просто фоновым раздражителем гражданской авиации, наряду с невкусной едой и недостатком места для ног, сильная турбулентность теперь случается чаще. По данным британского исследования, с 1979 по 2020 год турбулентность ясного неба над Северной Атлантикой участилась на 55%.
«Я много раз думал, что было бы замечательно, если бы мы могли сделать авиаперелеты немного комфортнее», — признается доктор Бирнир, который руководит Центром комплексных и нелинейных наук в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре и возглавляет там кафедру математики.
Его последний вклад в это усилие — недавняя статья в научном журнале Physical Review Research, которая представляет, по словам автора, возможно, самую передовую модель турбулентного движения. Она должна помочь инженерам, стремящимся сделать полеты безопаснее и менее стрессовыми, надеется Бирнир.
«Конструкция самолетов выиграет от этого. Мы определенно должны увидеть лучшие метеорологические модели», — уверен он.
«Чем лучше модель, чем больше она захватывает особенностей конкретного турбулентного поля, тем точнее прогноз, который будет использовать пилот», — согласен заслуженный профессор авиационных технологий Университета Пердью Томас Карни, который налетал более 11 000 часов в качестве пилота.
Полеты на американских авиаперевозчиках остаются исключительно безопасными, но недавние инциденты начали подрывать доверие к коммерческой авиации. В конце июля несколько человек пострадали из-за столкновения с неожиданно сильной турбулентностью над Вайомингом. Пилоты пытались избежать плохой погоды, но неожиданно попали в зону турбулентных потоков.
Турбулентность давно бросает вызов ученым, хотя в последние годы исследователи внесли значительные изменения в понимание ее механизмов. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман называл ее «важнейшей нерешенной проблемой классической физики».
Одна из сложностей заключается в том, что турбулентность «основана на множестве движущихся частей, если можно так выразиться: температуре, давлении, ветре и так далее», объяснил Патрик Смит, пишущий об авиации на своем сайте Ask the Pilot: «Факторы и условия, вызывающие турбулентность, могут меняться очень быстро».
Система хаотична по своей природе и отказывается развиваться по предсказуемому сценарию. Частицы, находящиеся в турбулентном движении, «начинают расходиться в разных направлениях», говорит Таннер Хармс, изучавший турбулентность в аспирантуре Калифорнийского технологического института.
По его словам, эти направления чрезвычайно сложно точно смоделировать: «Определение хаоса почти вплетено в саму турбулентность».
Чтобы понять хаос, доктор Бирнир совместно с Луизой Ангелутой-Бауэр, теоретическим физиком из Университета Осло, разработал модель, которая сочетает в себе два различных метода наблюдения за турбулентностью — лагранжеву и эйлерову механику. По отдельности полностью объяснить турбулентность они не могут.
Это потому, что эти две концепции рассматривают принципиально разные аспекты турбулентной системы. В лагранжевой механике исследователи наблюдают за отдельной частицей, тогда как в эйлеровом подходе они смотрят на единственную точку в пространстве. Упрощенно, лагранжева механика — это как наблюдать за листом, плывущим по реке, подчиняющимся прихотям водоворотов. С другой стороны, эйлерова механика — это как наблюдать за камнем, выступающим из поверхности реки, и изучать, как турбулентность воды движется вокруг этой фиксированной точки.
Лагранжеву турбулентность сложнее смоделировать, потому что она требует понимания поведения одной-единственной частицы — а та, по словам Бирнира, может «совершать самое сложное движение, которое только можно представить».
Понимание, как каждый тип турбулентности вписывается в общую картину, похоже на выбор подходящего объектива для микроскопа, поскольку оба сильно зависят от перспективы.
«Та же турбулентность, разные истории. Ни один из взглядов нельзя назвать неправильным — это просто разные способы задать природе вопрос», — заметил Томек Ярославски из Центра исследований турбулентности в Стэнфорде.
Он и Ангелута использовали как теоретические, так и статистические подходы. Ранее физикам не удавалось создать столь всеобъемлющую модель турбулентного движения. «Результат, без сомнения, новаторский», — оценил Катепалли Шринивасан, бывший декан Инженерной школы Тандона Нью-Йоркского университета.
Вышеупомянутый рейс Delta над Вайомингом «похож на типичный пример сильной прерывистости в эйлеровой турбулентности», предполагает Бирнир. Однако без доступа к исходным данным окончательный анализ невозможен. Тем не менее очевидно, что лучшее понимание турбулентности позволило бы пилотам принять превентивные меры, например снижение мощности двигателя, чтобы противодействовать эйлеровой нерегулярности, через которую они летели.
Карни признался, что некоторая часть работы Бирнира и Ангелуты ему не до конца понятна и, вероятно, покажется слишком сложной любому пилоту без опыта в вычислительной гидродинамике. Но это не умаляет ее потенциальной полезности, подчеркнул он: «Уверен, что они расширяют наши знания».