Океанические вихри - черные дыры нашей планеты!
Крупнейшие океанические турбулентные потоки с математической точки зрения эквивалентны черным дырам: их столь плотно укрывают круговые потоки воды, что ни один попавший в них объект не может выбраться назад.
Мягкие зимы Северной Европы – дар Гольфстрима, одного из важнейших для климата океанических течений. Но на погоду в мире влияют также гигантские океанические вихри (больше 150 километров в диаметре), крутящиеся и дрейфующие по морям планеты. По некоторым сведением, их становится всё больше в южном полушарии, что увеличивает «переброску» теплой и соленой воды к северу. Что любопытно – они могут смягчить негативные последствия таяния морского льда.
Но ученые пока не давали количественную оценку этого феномена, так как точные границы вертящихся водяных объектов не могли быть определены.
Джордж Хэллер (George Haller), профессор динамики нелинейных систем из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, и Франциско Берон-Вера (Francisco Beron-Vera), профессор океанографии из Университета Майами, предложили решение этой проблемы – математический метод определения четких границ океанических вихрей.
Сложнее всего было найти когерентные островки воды в бурном океане. Движение жидкости кажется хаотическим – как внешнему наблюдателю, так и изнутри вихря. Но Хэллер и Берон-Вера смогли восстановить порядок в этом хаосе, изолировав связные островки воды по данным спутников. К их изумлению, такого рода цельные вихри оказались математическим аналогом черных дыр.
Из водоворота нет пути назад
Черные дыры – это космические объекты с такой большой массой, что они притягивают всё вещество на определенном расстоянии. Ничего не убежит из черной дыры – даже свет. Но на критической дистанции луч света уже не закручивается в черную дыру – он резко сгибается и возвращается к своему изначальному местоположению, образуя круговую орбиту. Созданная такими орбитами поверхность-барьер в теории относительности Эйнштейна называется фотонной сферой.
Похожие барьеры Хэллер и Берон-Вера обнаружили вокруг некоторых океанических вихрей. Частицы жидкости там двигаются замкнутыми петлями – точно как свет в фотонной сфере. И, как и с черной дырой, из этих петель ничто не может убежать, даже вода.
Именно по этим барьерам в массе данных можно найти четкие границы океанических турбулентных потоков.
Вихри как водяное такси
Поскольку вихри типа «черной дыры» стабильны, они функционируют как транспортное средство – не только для микроорганизмов (планктон) или чужеродных тел (пластмассовый мусор, нефть), но и для воды, температура и соленость которой отличается от окружающей среды. Хэллер и Берон-Вера проверили свою гипотезу на кольцах Агульяс – группе океанических вихрей, регулярно возникающих у побережья ЮАР и переносящих теплую, соленую воду к северо-западу. Семь таких колец почти год переносят воду без единой утечки.
Хэллер подчеркивает, что аналогичные когерентные вихри существуют и в других потоках. То есть, немало вихрей структурно схожи с черными дырами. Даже Большое Красное Пятно на Юпитере – стабильный ураган – может быть еще одним ярким примером этого типа.
Примечательно, что первым океанические вихри как когерентные островки воды описал Эдгар Алан По. В рассказе «Низвержение в Мальстрём» он описал «широкие полосы пены, опоясывающие водоворот» - что вдохновило ученых на поиск этих полос, океанических аналогов фотонных сфер, с помощью сложного математического аппарата. Результаты исследования помогут решить целый ряд загадок Мирового океана, начиная динамикой климата и заканчивая распространением загрязняющих веществ.
Данные исследования опубликованы в журнале Journal of Fluid Mechanics.
По материалам пресс-релиза ВТШ.
Артём Космарский nauka21vek.ru