NASA опубликовало впечатляющий спутниковый снимок редкого атмосферного явления у берегов Антарктиды. На изображении видны огромные закрученные вихри в облаках, сформировавшиеся рядом с вулканическим островом Петра I в Южном океане. Снимок был сделан спутником Landsat 8 и быстро привлек внимание не только метеорологов, но и специалистов по климату и динамике атмосферы.
Речь идет о так называемых вихревых дорожках Кармана — одном из самых известных явлений гидродинамики и атмосферной физики. Несмотря на сложное научное название, подобные структуры можно наблюдать в самых разных масштабах: от потоков воды за камнем в реке до облачных систем длиной в сотни километров, заметных из космоса.
Что именно увидел спутник
На снимке NASA запечатлены спиралевидные облачные структуры, растянувшиеся над морем возле острова Петра I — удаленного необитаемого вулканического острова в море Беллинсгаузена у побережья Антарктиды.
Сильные ветры, проходя мимо высокого вулканического массива острова, начали закручиваться, формируя последовательность гигантских атмосферных вихрей.
По данным NASA, скорость ветра достигала примерно 34 миль в час, то есть около 55 км/ч.
Подобные вихри могут растягиваться на огромные расстояния и сохраняться достаточно долго, особенно в стабильной атмосфере над холодными океаническими регионами.
Остров Петра I — один из самых изолированных вулканов планеты
Peter I Island представляет собой небольшой вулканический остров у берегов Западной Антарктиды.
Основные особенности острова:
- почти полностью покрыт льдом;
- необитаем;
- расположен в крайне труднодоступной части Южного океана;
- имеет вулканическое происхождение;
- высота достигает примерно 1615 метров над уровнем моря.
Из-за изолированности остров редко попадает в центр внимания, однако именно такие объекты часто становятся причиной формирования необычных атмосферных структур.
Что такое вихри Кармана
В научной литературе это явление называется von Kármán vortex street — вихревая дорожка фон Кармана.
Явление возникает, когда поток воздуха или жидкости сталкивается с препятствием:
- островом;
- горой;
- вулканом;
- зданием;
- скалой.
Поток начинает терять устойчивость, а за препятствием образуется последовательность чередующихся вихрей.
Упрощенно процесс связан с изменением давления и скоростей в потоке воздуха.
Явление названо в честь известного физика
Эффект получил название в честь венгерско-американского физика и инженера Теодор фон Карман.
Он был одним из основателей современной аэродинамики и внес огромный вклад в изучение турбулентности и потоков жидкости.
Исследования фон Кармана оказались важны для:
- авиации;
- ракетостроения;
- метеорологии;
- гидродинамики;
- космонавтики.
Такие структуры возникают по всей планете
Вихревые дорожки можно наблюдать в разных регионах Земли.
Особенно часто они возникают:
- возле вулканических островов;
- у горных хребтов;
- над океанами;
- в полярных регионах.
Из космоса они особенно хорошо заметны благодаря облакам, которые «подсвечивают» структуру воздушных потоков.
Почему Антарктида особенно подходит для таких явлений
Антарктические районы обладают рядом условий, благоприятных для образования крупных вихревых систем:
- сильные устойчивые ветры;
- холодная атмосфера;
- малое количество источников турбулентности;
- изолированные острова;
- большие открытые пространства океана.
Именно поэтому спутники часто фиксируют необычные облачные структуры в Южном океане.
Вихри могут достигать огромных размеров
Хотя на бытовом уровне вихревые процессы кажутся маленькими, в атмосфере Земли масштабы совершенно другие.
Один атмосферный вихрь может иметь диаметр в десятки километров.
Цепочки вихрей иногда растягиваются на сотни километров.
Спутниковые снимки позволяют увидеть структуру полностью — с поверхности Земли подобный эффект обычно невозможно оценить.
Landsat 8 продолжает наблюдать Землю из космоса
Снимок был сделан спутником Landsat 8.
Аппарат был запущен в 2013 году и стал частью одной из самых долгоживущих программ наблюдения Земли.
Программа Landsat существует с 1972 года.
Ее основная задача — долгосрочный мониторинг поверхности планеты.
Спутник оснащен мощной оптической системой
Для получения снимка использовался прибор Operational Land Imager.
Он позволяет наблюдать:
- облака;
- лед;
- океаны;
- растительность;
- пустыни;
- изменения климата.
Подобные инструменты помогают ученым отслеживать процессы в глобальном масштабе.
Космос помогает изучать Землю
Хотя космические миссии часто ассоциируются с далекими планетами и галактиками, значительная часть спутников работает именно на изучение Земли.
Орбитальные аппараты используются для:
- климатических исследований;
- метеорологии;
- наблюдения за ледниками;
- мониторинга лесов;
- анализа океанов;
- отслеживания природных катастроф.
Подобные снимки имеют не только эстетическую ценность, но и научную.
Вихри помогают изучать атмосферу
Исследование вихревых структур важно для понимания:
- турбулентности;
- переноса тепла;
- движения воздушных масс;
- взаимодействия атмосферы и рельефа;
- поведения облаков.
Эти процессы напрямую связаны с климатическими моделями и прогнозированием погоды.
Турбулентность остается сложной проблемой физики
Несмотря на столетия исследований, турбулентность до сих пор считается одной из самых сложных задач классической физики.
Даже современные суперкомпьютеры не способны идеально просчитать все вихревые процессы атмосферы.
Многие атмосферные модели используют приближенные методы.
Вихри возникают не только в атмосфере Земли
Похожие процессы встречаются во всей Вселенной:
- в атмосферах планет;
- в потоках плазмы;
- в океанах;
- в кольцах планет;
- в межзвездном газе;
- в аккреционных дисках возле черных дыр.
Физические принципы движения жидкости и газа универсальны.
Вихреобразование описывается гидродинамикой
Формирование подобных структур связано с балансом инерции и вязкости потока.
В гидродинамике важную роль играет число Рейнольдса:
Где:
- ρ — плотность среды;
- v — скорость потока;
- L — характерный размер препятствия;
- μ — динамическая вязкость среды.
Именно от этих параметров зависит, станет ли поток стабильным или перейдет к образованию вихрей.
Южный океан считается одним из самых суровых регионов планеты
Район вокруг Антарктиды известен экстремальными условиями:
- сильными штормами;
- высокими волнами;
- постоянными западными ветрами;
- холодными течениями;
- сложной погодой.
Так называемые «ревущие сороковые» и «неистовые пятидесятые» широты давно известны морякам как одни из самых опасных зон мирового океана.
Антарктида играет ключевую роль в климате Земли
Исследование атмосферы Антарктики важно для понимания глобальных процессов.
Полярные регионы влияют на:
- циркуляцию атмосферы;
- океанические течения;
- распределение тепла;
- уровень мирового океана;
- климатические циклы.
Изменения в Антарктиде могут отражаться на погоде по всей планете.
Спутниковые снимки стали важным инструментом науки
Еще несколько десятилетий назад подобные атмосферные структуры практически невозможно было наблюдать целиком.
Сегодня спутники позволяют:
- отслеживать циклоны;
- анализировать облачные системы;
- изучать движение льдов;
- фиксировать вулканическую активность;
- наблюдать редкие атмосферные явления в реальном времени.
Подобные изображения ценны не только для науки
Снимки Земли из космоса нередко становятся важным инструментом популяризации науки.
Они помогают показать:
- сложность атмосферы;
- масштаб природных процессов;
- взаимосвязь климата и географии;
- красоту планеты с орбиты.
Фотографии вихрей над Антарктидой стали еще одним примером того, как спутниковые технологии позволяют увидеть процессы, которые невозможно полностью оценить с поверхности Земли.
Вихревые дорожки — пример универсальности законов физики
Главный вывод подобных наблюдений заключается в том, что одинаковые физические механизмы работают в совершенно разных масштабах.
Те же процессы, которые создают маленькие завихрения воды за камнем в реке, могут формировать гигантские атмосферные структуры размером с целые регионы Земли.
Снимок NASA показывает не только необычное природное явление, но и фундаментальные законы движения вещества в атмосфере планеты.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
