Обмен энергией между вихрями и средним потоком зависит от трех переменных, согласно модели

Вихри (эдди) — это крупные вращающиеся течения, которые способствуют перемешиванию океана и переносу тепла и соли. Их взаимодействие с более крупными, доминирующими океанскими течениями (средним потоком) изменяет циркуляцию и может влиять на климатическую изменчивость. При этом взаимодействии происходит обмен энергией, импульсом и энстрофией (мерой интенсивности вращательного движения в жидкостях).

Чтобы лучше понять и рассчитать этот энергообмен, ученые из Тяньцзиньского университета, Калифорнийского университета и Массачусетского технологического института исследовали, как конкретные вариации среднего потока влияют на обратную связь. Они нашли новый способ характеризовать вихри в модели энергетического потока. Исследование опубликовано в журнале Ocean-Land-Atmosphere Research.

В реальном мире крупные течения часто меняются как вдоль своего направления (along-stream), так и поперек него (cross-stream). Эти вариации вносят вклад в обмен энергией. Команда проанализировала их влияние в контексте диаграммы Лоренца — комплексной модели, учитывающей переменные и процессы, ответственные за энергообмен в fluid system.

Как заявил профессор Тяньцзиньского университета и первый автор работы Ру Чен, член обмена кинетической энергией между вихрем и средним потоком можно разделить на три части: одна связана с поперечной вариацией среднего потока, другая — с продольной вариацией, а третья — с изменением направления среднего потока. Все три части вносят существенный вклад и связаны с параметрами геометрии вихря.

Ученым также удалось создать кинематическую структуру для описания энергообмена, которая описывает движение течений, не учитывая силы или физические свойства. В их рамках на основе диаграммы Лоренца скорость изменения энергии вихря выражается через явные формулы как функция геометрических параметров вихря, что является уникальным подходом.

Разработанная структура — это новый инструмент, который может быть полезен для улучшения параметризации вихрей и изучения их взаимодействия со средним потоком. Она также может способствовать созданию схем параметризации, включающих нелокальность перемешивания. Результаты исследования помогут усовершенствовать геометрические подходы к моделям энергообмена, основанные на схеме Джента–Маквильямса.