Когерентные структуры в турбулентной атмосфере. Эксперимент и теория

Экспериментально изучены процессы возникновения и распада ячейки Бенара в воздухе. Наши данные подтверждают основные сценарии возникновения турбулентности (сценарии стохастизации Ландау-Хопфа, Рюэлля-Таккенса, Фейгенбаума, Помо-Манневилля). Установлено, что распад ячейки Бенара осуществляется по сценарию Фейгенбаума. При этом главный вихрь в ячейке распадается на более мелкие в результате десяти бифуркаций удвоения периода. Показано, что возникающая в результате турбулентность является когерентной и детерминированной. Обнаружена фрактальность (локальное самоподобие) спектра турбулентности. Эти результаты позволяют расширить понятие «когерентная структура», включив в ее состав мелкомасштабные турбулентные компоненты. В работе когерентная структура определяется как компактное образование, включающее в себя долгоживущую пространственную гидродинамическую ячейку (возникающую в результате продолжительного действия термодинамических градиентов) и продукты ее дискретного когерентного каскадного распада. Когерентная структура удовлетворяет всем признакам, характеризующим появление хаоса (турбулентности) в типичных динамических системах. Показано, что реальная атмосферная турбулентность есть сочетание (некогерентное) различных когерентных структур с несоизмеримыми частотами главных энергонесущих вихрей. На основании изложенных в статье результатов когерентную структуру, в ее расширенном определении, можно считать основным элементом турбулентности.