Самоорганизация и нелокальная природа геофизической турбулентности и планетарных пограничных слоев

Abstract

Згiдно з класичною парадигмою, турбулентна течiя представляється як суперпозицiя повнiстю впорядкованого середнього руху i повнiстю хаотичної турбулентностi, природа якої визначається колмогоровським прямим каскадом кiнетичної енергiї за напрямом вiд великих вихорiв до менших. Вiдповiдно до цього головними iнструментами моделювання турбулентностi служать концепцiя градiєнтного перенесення (за аналогi ю з молекулярним перенесенням), теорiя iнерцiйного iнтервалу в спектрах турбулентних флуктуацiй i, в атмосферних моделях, теорiя подiбностi Монiна—Обухова. Подiбний пiдхiд задовiльно описує великий клас нейтрально стратифiкованих течiй у природi i в iнженерних установках. Проте вiн погано пристосований до типових для атмосфери i океану дуже стiйких i, особливо, конвективних течiй. Ключова проблема полягає в тому, що, крiм звичайної турбулентностi з її прямим каскадом, в геофизичних течiях майже завжди присутнiй особливий тип хаотичних рухiв, упущений у класичнiй парадигмi. Цi рухи, для яких пропонується назва «Дивна турбулентнiсть», характеризуються зворотним каскадом — вiд менших вихорiв до великих, що веде до самоорганiзацiї у формi довгоживучих великомасштабних структур, якi спiвiснують iз звичайним середнiм рухом. Запропонована альтернативна парадигма мiстить дивну турбулентнiсть i органiзованi структури разом з середнiм рухом i звичайною турбулентнiстю.

The classical paradigm of the theory of turbulence states that any turbulent flow can be considered as a superposition of the fully organized mean motion and the fully chaotic turbulence is characterized by the direct energy cascade (from larger to smaller eddies). Accordingly, the key tools for modeling geophysical flows are the concepts of the down-gradient turbulent transport (analogous to the molecular transport); the Kolmogorov theory of the inertial interval in the turbulence spectra; and, in atmospheric boundary-layer modeling, the Monin-Obukhov similarity theory. These tools have made a good showing as applied to a wide range of neutrally or weakly stratified geophysical and engineering flows. However, in strongly stable and especially in unstable stratification they face insurmountable difficulties. The point is that the very-high-Reynolds-number geophysical flows almost always include a type of chaotic motions, “strange turbulence”, missed in the classical theory and are characterized by the inverse energy cascade: from smaller to larger eddies, which leads to the self-organization in the form of longlived, large-scale motions coexisting with the usual mean flow. The proposed new paradigm accounts for the strange turbulence and organized structures as additional inherent features of turbulent flows.

Согласно классической парадигме, турбулентное течение представляется как суперпозиция полностью упорядоченного среднего движения и полностью хаотической турбулентности, природа которой определяется колмогоровским прямым каскадом кинетической энергии по направлению от больших вихрей к меньшим. Соответственно этому главными инструментами моделирования турбулентности служат концепция градиентного переноса (по аналогии с молекулярным переносом), теория инерционного интервала в спектрах турбулентных флуктуаций и, в атмосферных моделях, теория подобия Монина-Обухова. Подобный подход удовлетворительно описывает обширный класс нейтрально стратифицированных течений в природе и в инженерных установках. Однако он плохо применим к типичным для атмосферы и океана сильно устойчивым и, в особенности, конвективным течениям. Ключевая проблема состоит в том, что, помимо обычной турбулентности с ее прямым каскадом, в геофизических течениях почти всегда присутствует особый тип хаотических движений, упущенный в классической парадигме. Эти движения, для которых предлагается название "странная турбулентность", характеризуются обратным каскадом - от меньший вихрей к большим, что ведет к самоорганизации в форме долгоживущих крупномасштабных структур, сосуществующих с обычным средним движением. Предлагаемая альтернативная парадигма включает странную турбулентность и организованные структуры наряду со средним движением и обычной турбулентностью.