ZNANOST: hrvatski znanstveni portal

Fizika oblaka - pobijene dugo održane teorije o turbulenciji

Ruski fizičar Andrey Kolmogorov 1941. godine razvio je teoriju o turbulenciji koja je služila kao temelj našemu razumijevanju ove važne prirodne pojave. Turbulencija (lat. turbulentus: nemiran, uzburkan) jest nepravilno vrtložno gibanje koje se pojavljuje u tekućinama i plinovima kada struje pored čvrstih predmeta ili kada im brzina strujanja pređe određenu granicu. Kolmogorovljeva teorija interpretirana je na način da implicira kako prijelaz iz jednog stanja turbulencije u drugo mora biti postepen i miran razvoj zbog toga što bi intenzivne oscilacije koje su dio procesa ublažile sve oštro i naglo.

Bilo kako bilo, novi eksperimenti koje su proveli fizičari sa Sveučilišta u Kaliforniji (Santa Barbara) opovrgavaju takvo shvaćanje Kolmogorovljeve teorije. Njihovi su rezultati objavljeni u časopisu Physical Review Letters.

"U našem radu nudimo eksperimentalni dokaz da su ti prijelazi itekako nagli i oštri.", izjavio je Guenter Ahlers, professor na Odjelu za fiziku Sveučilišta u Kaliforniji. Dalje naglašava kako su zahvaljujući ovim podacima došli do novih spoznaja i do zaključka kako je dosadašnja interpretacija Kolmogorova bila netočna. Za fizičare je to iznimno važan korak naprijed.

Ahlers i njegovi suradnici Ping Wei i Stephan Weiss proučavali su konvekciju (prijelaz) turbulencije, koja igra najvažniju ulogu u raznim prirodnim i industrijskim procesima. Do konvekcije turbulencije dolazi kada se sadržana tekućina zagrijava odozdo, a hladi odozgo. Kako se povećava razlika u temperaturi, tok konvekcije postaje toliko snažan da brzinsko polje postaje turbulentno.

Koristeći cilindrični rotacijski sistem koji je konstruirao Ahlersov tim, znanstvenici su zagrijavali tekućinu odozdo te se ona širila i postala rjeđa od tekućine pri vrhu. Zemljina gravitacija uzrokuje zamjenu položaja tekućina, što kao posljedicu ima turbulenciju. Tada su znanstvenici dodali rotaciju. "Kada dodate rotaciju, dobivate djelovanje novih sila, uključujući i Coriolisovu silu – proizvod Zemljine rotacije kao i rotacije u laboratoriju – koja vrti tekućinu u malim vrtlozima i tornadima.", objašnjava Ahlers.

"Dakle, sistem je prepun malenih tornada blizu zagrijavane površine, ali i blizu vrha – samo što se tamo radi o hladnim tornadima.", dodaje Ahlers. "Ispočetka ta tornada nisu povezana jer su prilično kratka. No kako vrtimo cilindar sve brže i brže, tornada se izdužuju te s vremenom stvaraju kolone po cijelom ovom sistemu. Kada se to dogodi, fizičari tvrde kako se simetrija sistema mijenja."

Sljedeći korak za Ahlersa i njegov tim bio je izmjeriti prijenos topline – izmjenu termalne energije – koja se izražava Nusseltovim brojem. Wilhelm Nusselt bio je njemački inženjer koji je izmjerio prijelaz topline kroz dvostruka prozorska stakla, još ranih 1900.-ih.

"Ukoliko pogledate Nussetov broj, on ima određene pauze, što ukazuje na to da se prijenos topline ne mijenja glatko kako se rotacija povećava.", dodaje Ahlers. "Usput, Lev Landau rekao nam je to prije mnogo vremena. Iako Landau nije govorio o turbulentnim sistemima, njegovi argument mogu se direktno primijeniti na turbulentna stanja."

Ahlers referira na drugog ruskog fizičara, dobitnika Nobelove nagrade, koji je teoretizirao o tome da kada se promijeni simetrija sistema ta promjena mora biti oštra/nagla. No može biti blaga jer sistem ima samo dva stanja: poremećaj ili red, ne postoji ništa između.

Problem je, ističe Ahlers, što nitko tko se bavio problemom turbulencije nije razmišljao o Landauovom argumentu jer se on bavio drugim poljem te se te informacije nisu primijenile na ovo područje istraživanja. "No ja sam se bavio kritičnim fenomenima dugi niz godina te vrlo dobro poznajem Landauov rad. Potom sam počeo proučavati turbulenciju te kada se pojavio ovaj problem, bilo mi je jasno što se događa.", naglašava Ahlers.

U radu znanstvenici koriste 'staze oblaka' – duge redove oblaka kumulusa orijentiranih paralelno u odnosu na smjer vjetra – kao svakodnevni primjer prirodne konvekcije turbulencije. Ova grudasta vrsta bijelih oblaka nastaje kada hladan zrak puše nad toplijim vodama te kada se topliji sloj zraka (temperaturna inverzija) nalazi iznad njih.

Kada topla voda usporedno otpušta toplinu i vlagu u hladan zrak iznad, kolone zagrijanog zraka uzdižu se kroz atmosferu. Kada te kolone susretnu topli sloj zraka one se prevrću te stvaraju paralelne cilindre rotirajućeg zraka koji se ponašaju slično kao tekućine u Ahlersovom cilindričnom rotirajućem sistemu. Iako se taj proces može činiti postepenim i 'glatkim', Ahlersov eksperiment dokazuje da je on sve samo ne takav.

Izvor: University of California

Podijeli.