Une équipe de scientifiques de l'Institut de Mécanique, MSU, ont démontré comment les fluctuations aléatoires de la vitesse de rotation et du bruit influencent le nombre de vortex dans l'écoulement sphérique de Couette. Ils rapportent que le niveau de bruit et le régime d'écoulement ont une corrélation non linéaire compliquée. Les nouvelles données contribueront à des modèles plus précis des flux naturels, y compris la circulation atmosphérique. Les résultats des travaux ont été publiés dans le le chaos journal.

L'écoulement sphérique de Couette est l'écoulement de liquide dans une couche sphérique provoqué par la rotation de ses bords. En laboratoire, il est étudié à l'aide de deux sphères transparentes :l'extérieure est fixe et l'intérieure tourne à une vitesse donnée. Ce modèle permet de décrire les mouvements à grande échelle de l'atmosphère, océans, et le manteau de la Terre causés par la rotation de la planète. Tous ces processus naturels sont généralement turbulents. La première étape vers la turbulence est la perte de stabilité par un écoulement permanent, provoquant l'apparition spontanée de tourbillons dans les liquides ou les gaz. Mais qu'est-ce qui affecte la stabilité et détermine le régime d'écoulement ultérieur (par exemple, le nombre de vortex dans l'écoulement) ? En répondant à cette question, les scientifiques pourront mieux prédire les changements climatiques sur la Terre.

Le régime de l'écoulement de la Couette est déterminé par l'histoire de son développement, y compris la valeur de l'accélération avec laquelle la vitesse de rotation de la sphère interne change. Cette valeur détermine s'il y a trois ou quatre vortex qui se forment dans l'écoulement. Cependant, il n'y a pas de vitesses de rotation ou d'accélérations stables dans les processus naturels, et des variations aléatoires se produisent assez souvent. Une équipe de scientifiques de l'Institut de Mécanique, MSU, démontré dans une nouvelle expérience comment le régime d'écoulement peut être influencé par des fluctuations aléatoires de la vitesse de rotation ou par des bruits. Les expérimentateurs ont volontairement amplifié les bruits pour voir ce qui se passe avec l'écoulement. Le nombre de vortex dans le liquide a été déterminé à la fois à l'œil nu (en utilisant des particules de poussière d'aluminium pour la visualisation) et en mesurant la vitesse d'écoulement avec l'anémomètre laser Doppler.

Les résultats des expériences étaient plus complexes que les chercheurs n'auraient pu le suggérer. Les fluctuations aléatoires et les régimes d'écoulement liquide ont en fait une corrélation entre eux, mais c'est non linéaire. Quand les bruits n'étaient pas excessifs, l'écoulement montrait trois vortex. Le même scénario a été observé lorsqu'il n'y avait aucun bruit. Prochain, lorsque les niveaux de bruit étaient élevés, le liquide semblait "oublier" l'influence de l'accélération, et quatre vortex se sont formés dans l'écoulement. Mais lorsque les scientifiques ont observé la situation la plus complexe, où les niveaux de bruit étaient moyens, ils ont trouvé que le nombre de tourbillons dépend à la fois de la valeur d'accélération et du niveau de bruit, et cette dépendance est non linéaire.

"Il reste à découvrir comment les bruits de moyenne amplitude affectent le flux, " dit Dmitry Zhilenko, un co-auteur de l'ouvrage, et un associé de recherche principal de l'Institute of Mechanics. « Cela permettra d'évaluer l'influence des bruits sur les processus dans divers corps naturels :pulsars, l'atmosphère de la Terre, et les atmosphères d'autres planètes. Par exemple, certaines études suggèrent que des fluctuations aléatoires de l'apport de chaleur dans l'atmosphère en provenance du Soleil peuvent modifier l'élément de la circulation atmosphérique :Hadley, Ferrel, et les cellules polaires. Ces cellules ressemblent à des anneaux avec des boucles de circulation d'air fermées, et le climat de la planète entière dépend directement de la circulation atmosphérique en eux. »