В нашем институте изучаются течения в атмосфере, которую еще в 1934 году знаменитый механик Т. Карман назвал гигантской природной лабораторией по исследованию турбулентности. В атмосфере мы практически всегда имеем дело с турбулентными движениями. Ламинарное течение атмосферного воздуха - явление крайне редкое и может наблюдаться только в виде исключения, при большой устойчивости воздушного потока над очень гладкими поверхностями, например, ночью над тихим озером.

     Где бы ни возникала турбулентность - в атмосфере, в аэродинамической трубе или в любом другом техническом устройстве, - ей присуща фундаментальная статистическая закономерность, так называемая иерархия вихрей в турбулентном потоке за счет его кинетической энергии возникают крупномасштабные вихри, которые теряют устойчивость, и распадаются на вихри меньшего масштаба, и так далее, покуда каскадному дроблению не положат конец силы вязкости.

     Экспериментально исследовать эту иерархию вихрей гораздо легче, когда диапазон масштабов широк. Не случайно предельные закономерности для турбулентного течения при очень больших числах Рейнольдса впервые аккуратно были исследованы в атмосфере, а уже затем с помощью более тонкой техники - в аэродинамических трубах.

     Приборы, используемые в нашем институте, позволяют исследовать вихри в диапазоне масштабов от одного миллиметра (для таких размеров вязкость становится уже существенной), и до нескольких сот метров. Что касается более крупных вихрей, то их изучение относится скорее к области динамической метеорологии (эти работы ведет другой отдел нашего института).

     В природе встречаются также вихри много больших масштабов. При изучении общей циркуляции атмосферы всего земного шара понятия механики турбулентности с успехом применяются к возмущениям, характеризуемым масштабом порядка 1 000 километров. Наблюдения газовых скоплений в космосе и отдельных галактик (имеющих на фотографиях вид туманностей), безусловно, указывают на турбулентную природу их движения на фотографиях хорошо видны отдельные завитки, то есть вихри, которые типичны для турбулентности. Делались также попытки применения к туманностям количественных закономерностей развитой турбулентности, оказавшиеся вполне успешными. Возможно, что неравномерное распределение вещества во всем космическом пространстве тоже, как-то связано с турбулентностью.

     Диапазон масштабов турбулентных вихрей в морях, и океанах также весьма велик. Здесь при изучении турбулентности приходится учитывать специфику среды (вода по своим физическим свойствам, конечно, отлична от воздуха, а турбулентный перенос солей в море не имеет прямого аналога в атмосфере), но в смысле принципиальных подходов к изучению турбулентности океан и атмосфера имеют много общего. Для океана характерна сильная устойчивость - плотность там всегда растет с глубиной (в атмосфере на заметных высотах тоже, как правило, наблюдается устойчивость, но все же меньшая, чем в океане). Поэтому турбулентность в океане менее изотропна, чем в атмосфере; она еще более перемежающаяся, и сосредоточена в океане в отдельных тонких «блинах». Качественно такой же характер имеет и турбулентность в атмосфере на высоте нескольких километров (чередование небольших сильно турбулентных, и больших почти не турбулентных областей хорошо известно всем, кто летал на самолетах, - именно из-за этого бывает сильная качка).

     В технических устройствах, скажем, в трубах, соплах, ядерных реакторах, турбулентность обычно имеет более сложный характер, чем в атмосфере. Здесь на возникновение и развитие турбулентности влияют многие дополнительные факторы, и поэтому условия для ее изучения хуже. Но есть, конечно, и много схожего. Например, турбулентность в пограничном слое при обтекании плоской пластины в лаборатории, и режим ветра над землей довольно похожи друг на друга. Но над землей существенно также и изменение температуры с высотой. Поэтому для изучения атмосферной турбулентности очень желательны специальные аэродинамические трубы (см. 2 - 3-ю стр. цветной вкладки), в которых можно подогревать или охлаждать стенки, и тем самым моделировать природные явления.

     Действительно, в атмосфере температура (а значит, и плотность) почти всегда изменяется с высотой, и поэтому атмосфера практически всегда оказывается разделенной на слои различной плотности. Если плотность нижних слоев меньше, чем плотность верхних, начинается конвекция, возникает турбулентность конвективного происхождения, в большой степени определяющая специфику задач исследования атмосферных течений.

     Измерения характеристик атмосферной турбулентности проводятся с помощью аппаратуры, устанавливаемой на вышках разной высоты. В этом году наш институт, в частности, принимал участие в измерениях на специальной трехсотметровой вышке в Обнинске. Широко используются нами и приборы, устанавливаемые на самолетах.

     Что же такое «мерить турбулентность»?

     Придется еще раз напомнить, что турбулентность - это совокупность неупорядоченных колебаний температуры, скорости ветра, влажности, и т. п. Их всевозможные пульсации - это и есть турбулентность. Каким же образом их можно измерить?

     Для этого прежде всего нужен датчик, который реагировал бы на очень быстро меняющиеся значения измеряемого параметра, например, скорости или температуры. Такой датчик должен быть миниатюрным (если он будет большим, то будет осреднять характеристики потока по большому объему). Он не должен искажать поток, то есть его присутствие не должно влиять на характеристики среды. Датчик должен отличаться малой инерционностью - очень быстро реагировать на изменения замеряемых параметров. Создать датчик с подобными характеристиками не так-то просто.

     Для лабораторных измерений пульсаций скорости основным прибором в течение многих лет служит термоанемометр. Прибор этот применяется также, и для измерений наиболее мелкомасштабных пульсаций скорости ветра в атмосфере. Но термоанемометр - прибор с нелинейной характеристикой, и притом довольно капризный (в условиях атмосферы нить его часто загрязняется примесями, рвется). С таким прибором работать нелегко.

     В нашем институте был разработан прибор оригинальной конструкции - акустический (ультразвуковой) анемометр (принцип его работы пояснен на цветной вкладке). Появление таких приборов дало очень сильный толчок развитию дальнейших экспериментальных исследований атмосферной турбулентности. В настоящее время экспериментаторы во всем мире предпочитают работать с акустическими анемометрами. Приоритет советских ученых в их создании признается всеми.

     Результаты измерений легко зафиксировать в виде кривых на осциллографической фотобумаге, показывающих временной ход пульсаций скорости. Но, что делать с этими записями дальше? На основе таких сложных кривых надо получить статистические характеристики турбулентности. Например, что такое турбулентный поток тепла? Это есть среднее произведение пульсации вертикальной скорости на пульсацию температуры. Такое произведение, грубо говоря, и есть то тепло, которое уходит вверх. (Конечно, результат надо еще умножить на теплоемкость единицы объема и на плотность, чтобы получить его в тепловых единицах.) Пульсации вертикальной скорости можно измерить акустическим анемометром, а пульсации температуры - термометром сопротивления (это проволочка, по которой течет слабый ток; при изменении температуры меняется ее сопротивление, а значит, и сила тока). Далее, проще всего применить автоматический коррелятор - прибор, позволяющий перемножать два тока, поступающих с двух разных приборов и осредняющий затем это произведение по времени; стрелка такого коррелятора сразу указывает число, равное (в определенных единицах) турбулентному потоку тепла. Сейчас мы переходим к еще более эффективному способу результаты измерений записываются на магнитную ленту магнитофона, затем с ленты снимаются данные в цифровой форме, и вводятся в электронную вычислительную машину, которая может очень быстро подсчитать сразу много различных статистических характеристик записанных пульсаций. Например, ЭВМ может указать вклад пульсаций разных масштабов в суммарный поток тепла. Это важно, так, как изменение с высотой роли пульсаций разных масштабов (или, как обычно говорят, трансформация спектра потока) представляет и теоретический, и прикладной интерес. Сами турбулентные потоки, например, поток тепла в приземном слое атмосферы в, каком-то довольно значительном диапазоне высот практически не меняется (сколько тепла приходит снизу, столько же и уходит вверх). Но спектральный состав потока меняется - около земной поверхности тепловой обмен может происходить только за счет мелкомасштабных пульсаций, а выше основную роль начинают играть уже пульсации значительно большего масштаба. Такое перераспределение важно для понимания механизма атмосферной турбулентности. Вообще перераспределение интенсивности пульсаций по спектру масштабов (или частот) очень типично для всех турбулентных процессов. В атмосфере же погода представляет собой, как раз крупномасштабное явление, и нужно знать, какую роль здесь играют мелкомасштабные пульсации.

     Хорошо известно, что все движения в атмосфере совершаются за счет той энергии, которую Земля получает от Солнца. Иными словами, погоду формирует Солнце. Но, каким образом это происходит?

     Сама по себе атмосфера в отсутствии облаков почти не поглощает солнечные лучи. Солнечные лучи просто проходят сквозь нее (это и означает, что атмосфера прозрачна), практически не взаимодействуя с воздухом, доходят до земной поверхности, и нагревают землю или воду. И только после этого теплота, поглощаемая землей, и водой, передается атмосфере-либо в виде радиационного потока тепла (длинноволнового инфракрасного излучения, для которого атмосфера уже непрозрачна, и которое ею поглощается), либо в виде турбулентных потоков тепла и скрытой теплоты испарения.

     Особенно большую роль в общем энергетическом балансе атмосферы играют турбулентные потоки влаги. Океан составляет около 70 процентов поверхности земного шара, и в тропических районах с его поверхности испаряется очень много воды. Когда этот пар конденсируется в верхних слоях атмосферы, выделяется громадное количество тепла. Это к есть тот основной механизм передачи энергии солнечных лучей атмосфере, механизм, который порождает все атмосферные движения и приводит к изменениям погоды.

     Если бы атмосфера была ламинарной, то скорость испарения влаги была бы чрезвычайно мала, ничтожными были бы, и потоки тепла. Турбулентные коэффициенты обмена - коэффициенты теплопроводности и диффузии влаги - в сотни тысяч, и миллионы раз больше, чем соответствующие молекулярные коэффициенты. Можно сказать, что именно турбулентность позволяет атмосфере усваивать солнечное тепло. Турбулентность - главный посредник между Солнцем и атмосферой.

     С этой точки зрения очень большую практическую важность приобретает изучение турбулентных потоков - турбулентного переноса влаги, и тепла, а также переноса количества движения (который порождается трением воздуха о землю). Экспериментальные наблюдения и теоретические исследования турбулентных потоков необходимы для разработки физически обоснованных методов прогноза погоды. Учет турбулентности особенно важен для долгосрочного прогноза, так, как основной механизм, определяющий формирование погоды на большой срок, - это, по-видимому, турбулентный перенос тепла от тропических областей Мирового океана, и перераспределение этого тепла по всей территории земного шара.

     Мы учимся аккуратно учитывать граничные условия на любой поверхности (будь то суша или, скажем, морская поверхность), а также рассчитывать потоки тепла у поверхности, трение о поверхность, испарение, то есть то, что нужно при переходе к количественным оценкам. Ближайшая задача, которая в значительной степени уже выполнена нами для расчетов течений над сушей (в случае течений над морем еще требуется дальнейшая работа), состоит в том, чтобы методы расчета полуэмпирической теории турбулентности обобщить на случай стратифицированной среды и подкрепить это непосредственными данными измерений.

     Атмосферная турбулентность ответственна, и за целый ряд других эффектов - например, за мерцание звезд. В настоящее время многие интересуются использованием лазерной техники для нужд связи. Однако лазерный луч очень сильно рассеивается в атмосфере из-за турбулентности, как, впрочем, и любое излучение. Распространение волн в существенной мере зависит от атмосферных условии и важно знать эту зависимость поточнее.

     Наконец, еще одна, весьма актуальная область применения теории турбулентности касается загрязнения атмосферы, поскольку распространение загрязнений любого типа в атмосфере обусловлено главным образом турбулентной диффузией.

     Для турбулентных потоков характерны громадные скорости рассеивания и перемешивания примесей. Если бы не было турбулентности, то почти любые загрязнения оставались бы в течение долгого времени, скажем, суток, там, где они возникли, и их нетрудно было бы устранить; во всяком случае, с ними было бы гораздо легче бороться. Но атмосфера всегда является турбулентной, и этого нельзя не учитывать. Важно, например, установить, как распространение загрязнений зависит от атмосферных условий. Известно, что такое бедственное явление, как смог в Лондоне, Лос-Анджелесе, и в других городах, вызвавший не так уж мало смертельных исходов, связано со специальными атмосферными условиями. Если хорошо знать зависимость скорости распространения примесей от конкретных атмосферных условий, то можно давать соответствующие указания о режиме работы предприятий, транспорта и других объектов, выбрасывающих в атмосферу загрязнения.

     Задачи, которые приходится решать при изучении атмосферной турбулентности, иногда приводят к неожиданным открытиям, касающимся диффузии. Например, выполненные в нашем отделе лет шесть назад измерения турбулентного переноса тепла в направлении средней скорости показали, что общий вид уравнения турбулентной диффузии, которым сейчас обычно пользуются, нельзя считать правильным оно должно содержать дополнительные члены, которыми всегда пренебрегали, в то время, как эксперимент показал, что эти члены совсем не малы.

     Проблема турбулентности очень трудна, но тем не менее ряд вопросов, которые были не очень ясны, скажем, лет двадцать назад, в настоящее время в результате совместных усилий теоретиков, и экспериментаторов значительно прояснились.

№3, 1973