Астронет: Известия-Наука Мерцающие звезды: Без турбулентности нет жизни http://variable-stars.ru/db/msg/1189058

Мерцающие звезды: Без турбулентности нет жизни
10.02.2003 20:07 | Известия-Наука

Ольга Тельпуховская / Известия.RU

Наблюдая за мерцанием звезд, физики научились определять свойства атмосферы Земли. Так считает профессор Александр Гурвич, главный научный сотрудник Института физики атмосферы РАН имени А.М. Обухова. Цикл статей об изучении турбулентности в стратосфере был опубликован в журнале "Известия Академии наук. Физика атмосферы и океана" и удостоен премии МАИК "Наука/Интерпериодика".

Турбулентность - одно из загадочных явлений природы. Оно интересно многим ученым, от астрофизиков и метеорологов до химиков и конструкторов самолетов. Именно благодаря турбулентному движению воздуха атмосфера и океан обмениваются теплом, зарождаются и затухают ветры и волны, а влага испаряется.

Научное упоминание о турбулентности появилось еще в трудах Леонардо да Винчи. Знаменитый ученый, пытаясь разгадать законы течения жидкости в реке Арно, сформулировал принципы, которые не устарели до сих пор. Построить строгую в математическом смысле теорию трудно еще и потому, что едва ли возможно дать исчерпывающее определение самой турбулентности. Известный ученый Теодор Карман говорил, что первое откровение, о котором он будет просить, представ перед Создателем, - раскрыть тайны турбулентности. - Пожалуй, задача турбулентности - одна из самых древних проблем в науке, которая до сих пор не имеет хорошего физического решения, - объясняет Александр Гурвич. - Существенный шаг для ее разрешения сделали почти шестьдесят лет назад Андрей Колмогоров и Александр Обухов, авторы современной теории турбулентности. Одно из первых проявлений этого явления - мерцание звезд. Дело в том, что турбулентность приводит к флуктуациям температуры или плотности воздуха, причем их относительное изменение составляет малые доли процента. Флуктуации плотности приводят к образованию в атмосфере множества очень слабых случайных линз - положительных и отрицательных. Они то появляются, то исчезают, поэтому и кажется, что звезда мерцает. Мы пытались решить обратную задачу, то есть установить характеристики среды, наблюдая за мерцанием звезд с борта орбитальной станции "Мир". Нам впервые удалось изучить структуру колебаний плотности воздуха с высоким разрешением, то есть с точностью до нескольких десятков сантиметров, на ранее неизученных высотах в земной атмосфере.

При наблюдении звезд с борта космической станции сквозь атмосферу Земли мерцания усиливаются из-за огромного расстояния между атмосферой и наблюдателем. Георгий Гречко первым изучал мерцание звезд из космоса во время полета на орбитальной станции "Салют-6". Его результаты привлекли внимание специалистов по физике атмосферы, и они отправили в космос приборы для измерения светового потока - фотометры. Наблюдая за Сириусом, Вегой и другими яркими звездами, расположенными в разных местах по отношению к плоскости орбиты корабля, ученые ныне могут определять разные компоненты неоднородностей плотности.

Когда физики имеют дело с исследованием случайных, хаотических процессов, то приходится прибегать к статистическим методам описания явлений. Поэтому флуктуации плотности и температуры в стратосфере, то есть турбулентность, они описывают с помощью средних квадратов и коэффициентов корреляции этих характеристик. Общую статистическую картину создают распределения вероятности, которые определяются небольшим числом параметров. Ученых интересует зависимость этих параметров от высоты, времени года.

- Оказалось, что в стратосфере турбулентность совсем не такая, как в приземном слое. Если ее свойства в приземном слое однородны, то в стратосфере она разная по горизонтали и вертикали. Эти измерения помогают узнать, как загрязнители атмосферы перемещаются вверх, как вещества перемешиваются и когда начинаются те или иные химические реакции между ними, - поясняет Александр Гурвич.

Ученым, которые занимаются прогнозами климата и созданием различных моделей, для расчетов необходимо знать, как происходит обмен количеством движения, теплом, влагой между отдельными слоями атмосферы. Наблюдения мерцаний из космоса позволят в дальнейшем дистанционно, в режиме реального времени оценивать коэффициенты турбулентного обмена во всей толще атмосферы в любом месте планеты. Это особенно важно для высот и районов, недоступных для прямых измерений.

Когда у нас после затопления орбитальной станции целенаправленные измерения мерцаний из космоса прекратились, ими сразу же занялись зарубежные ученые. В апреле этого года Европейское космическое агентство запустило на орбиту спутник ENVISAT, на котором установлен и прибор для слежения за мерцанием звезд. Эти исследования внесут свою толику информации в развитие наших представлений об атмосфере и изменении климата.