ТУРБУЛЕНТНОСТЬ КОСМОСА

Юрий Михайлович Кочетков, д.т.н.

Статья посвящается Виталию Феликсовичу Семенову (24.04.1933 - 30.08.2009) - известному Российскому ученому, кандидату технических наук, специалисту в области перспективной космической энергетики. В.Ф. Семенов - разработчик принципиально новых энергодвигательных установок, основанных на преобразовании солнечной и ядерной энергии. Он - главный конструктор уникального пилотируемого марсианского проекта, который объединил вокруг себя многочисленную международную и отечественную кооперацию. Он является автором и непосредственным исполнителем многочисленных перспективных проектов космической энергетики: солнечной газотурбинной установки, энергодвигательного комплекса для марсианской программы, включающей солнечный и ядерный варианты, комплекса энергообеспечения Земли из Космоса. Работая со специалистами из института космических исследований, института медико-биологических проблем, а также со специалистами разработчиками носителей и космических аппаратов (РКК-Энергия, НПО имени Лавочкина) Виталий Феликсович активно изучал Космос, его особенности, ближние и дальние планеты, окружающие Землю. Он много времени посвящал исследованиям закономерностей космического пространства, разрабатывал оптимальные во времени и пространстве траектории дальних космических перелетов. Изучал аналогии процессов, происходящих в Космосе и на Земле. Он - автор книг о Марсе и Луне, принесших ему мировую известность. В них описаны и проиллюстрированы многие процессы, внешне напоминающие процессы на Земле.

При обсуждении турбулентности Космоса можно использовать глобальную аналогию между процессами, происходящими в Мировом Пространстве, и процессами на Земле. Целесообразность использования такой аналогии вызвана желанием воспользоваться физическими законами турбулентности жидкости, газа и плазмы с целью дальнейшего познания окружающего нас мира. Поиск универсальных законов позволяет устанавливать тонкие взаимосвязи в природе и сопоставлять процессы, происходящие на Земле, с первозданными процессами Космоса.

Турбулентность Космоса не является специальным разделом газовой динамики в классическом ее понимании. Она представляет собой интерес в мировоззренческом, онтологическом плане, показывающем единство окружающего нас материального мира и взаимосвязей между отдельными его составляющими. В масштабах восприятия его человеческим разумом материя может быть продифференцирована применительно к той, либо другой ситуации и наделена определенными свойствами, проявляющимися непрерывно и субъективно воспринимающимися человеком. Принципиальным при таком восприятии становится агрегатное состояние вещества: твердое тело, жидкость, газ или плазма. При этом свойства вещества существенно зависят от координат и времени. И независимо от того, что эти свойства меняются с течением достаточно больших промежутков времени и в пространстве, для человека они остаются постоянными в силу малости их во вселенной. Это дает возможность на каждом жизненном этапе исследовать явления природы и объяснять происходящие вокруг процессы.

С глобальной точки зрения пространственные координаты и время - суть одно и тоже. Время - всего-навсего четвертая координата, характеризующая вещество. Пятой координатой является вечность, которая помимо свойств вещества характеризует свойства всех его составляющих: поля, элементарных частиц и материи в целом. Четыре предыдущие координаты выражают определенный срез в пространстве и времени для фиксированной вечности. При этом становится неважным разделение вещества на фазовые состояния как таковые. Плазма и твердое вещество становятся равноценными и являются просто материей. Так называемые физические свойства веществ приобретают универсальный характер и не различаются ни для одних, ни для других состояний. При этом формы и структуры веществ также остаются неизменными и зависят от видов движений: поступательного, колебательного, вращательного или торсионного. Поэтому параметры и коэффициенты, воспринимаемые в виде чисел, характеризующих свойства веществ, выражаются через универсальные координаты пространства и времени. Так, например, электрическое удельное сопротивление, исчисляющееся в физике обычно в Омах на метр, в гауссовой системе выражается в секундах. Напряженность магнитного поля, в физических координатах записываемая в Эрстедах, представляется в виде комбинации материальных параметров: (г·см)^0,5/с².

Можно привести и другие примеры, из которых видно, что любые свойства материального мира, независимо от того, из какой области физики они взяты: из механики сплошной среды, электромагнетизма, фотооптики и др., в конечном счете выражаются через координаты пространства и времени. Это значит, что они изменяются именно в пространстве и во времени, причем мера массы выступает как универсальная характеристика материи.

В газовой динамике, применительно к турбулентности, основным свойством является текучесть. Например, вязкие масла наименее подвижны, а у легких газов и плазмы этот параметр наиболее высокий. Подвижность молекул твердых тел практически равна нулю, и в реальной физике их считают неподвижными. Для космической физики, когда время измеряется условно вечностью, а пространство бесконечностью, так считать нельзя. В общем случае можно сказать, что и твердые тела текут, но только скорость при этом бесконечно мала. Такое течение можно обнаружить после достаточно долгого наблюдения за объектом или после систематического изучения аналогичных процессов попытаться объяснить это явление с помощью асимптотических моделей.

Течение твердого тела изящно иллюстрирует фотография ледника Вьедма в Южной Аргентине, сделанная из Космоса. Ледник Вьедма имеет ширину около 2 км. Он сползает в два озера, где видны айсберги, являющиеся его оторвавшимися частями. Направляющие темные полосы, аналоги линиям тока в жидкости, свидетельствуют о большой концентрации скальной породы, смешанной со льдом. На фотографии видны четкие границы ледника, который находится в некотором каменном русле. Видно, что при расширении русла "линии тока" расходятся, а при сужении сближаются. По аналогии с жидкостью хочется сказать, что при сближении "линий тока" скорость течения ледника увеличивается.

Натекание ледника на скальную породу приводит к бифуркации. Поток раздваивается и пропорционально проходным сечениям расходы льда продолжают двигаться в различных направлениях. Данная картина также иллюстрирует временной масштаб и показывает соизмеримость линейных размеров при движении жидкостей и твердых тел как произведения их скоростей на характерные времена процессов. Судя по плавности и непрерывности "линий тока" течение ледника является ламинарным, поступательным.

Пространственный масштаб может успешно демонстрироваться сравнением формы урагана "Изабель", например, со спиралевидной галактикой "Вертушка". Ураган "Изабель" стал одним из самых мощных штормов Атлантики. Скорость ветра внутри него достигала 200 км/ч. Тонкие облака вокруг воронки показывают направление движения урагана. Сам же ураган формирует области высокого давления тропосферы над "глазом". Как видно, похожая картина, представленная на фотографии галактики, практически повторяет конфигурацию урагана. Также в центре имеется "глаз", где, по-видимому, сосредоточены наибольшие удельные силы, воздействующие на окружающий звездный массив. Направление лучей спиралей и их наклон может косвенно характеризовать скорость разлета звездной массы. Независимо от величины масштаба сравниваемых спиралевидных образований разной природы можно выделить общие закономерности движения и провести аналогию между процессами гидродинамической и космической турбулентности.

В качестве иллюстрации вихревого движения космической массы может служить потрясающая воображение фотография гигантского гексагона, сформированного на планете Сатурн. Впервые эта структура была замечена на ряде снимков, переданных аппаратами "Вояджер-1" и "Вояджер-2". Более четкое изображение было получено позднее с помощью аппарата "Кассини". Это - гигантский тороидальный вихрь (солитон) с поперечным размером 25 тысяч километров. Он имеет строго гексагональную структуру с явно выраженным в центре "глазом". Природа такого тороидального вихря конвективная. Прямые стенки вихря уходят вглубь атмосферы на 100 км. Это атмосферное образование является весьма устойчивым и не связано с авроральной активностью планеты.

На Земле подобный конвективный эффект давно изучен. Он называется ячейкой Бенара. Модельный эксперимент с силиконовым маслом, разлитым на плоской горячей поверхности, демонстрирует строго регулярную пространственную структуру с периодичностью, кратной толщине жидкого слоя. На фотографии видны выходящие из центра и сходящиеся по сторонам шестигранника конвективные потоки масла. На границах соприкасающихся сторон в местах стекания сформированы затененные каналы, свидетельствующие о том, что боковая поверхность тороида криволинейная и не имеет скачкообразных переходов. Турбулентность в виде ячеек Бенара часто встречается в природе. Высохшие озера, солончаки и другие явления являются результатами конвективных процессов, сопровождающих высыхание приповерхностных зон.

Движение сыпучих грунтов в общем является движением твердых тел. Благодаря сыпучести растет подвижность частиц, и потоки, образующиеся из них, становятся похожими на потоки жидкостей. На Земле это барханы, мигрирующие под действием ветров. Картина южных областей поверхности Марса, заснятая из космоса, очень похожа на картину таяния льда на крыше. Филаменты, отходящие от массивных песчаных холмов из марсианского песка, очень похожи на обыкновенные сосульки, свисающие с краев крыш, а барханы в виде серповидных образований похожи на капли воды, отделяющиеся от сосулек. Барханы движутся в направлении ветра, не изменяя своей формы и размеров (аналог солитонов). Динамика образования филаментов и барханов также напоминает динамику дробления струй при потере ими устойчивости. Интервалы между барханами весьма регулярны. Их периодическое расположение внешне напоминает релеевскую неустойчивость течений в жидких струях, когда под действием внешних сил происходит локальное периодическое обжатие. Возникают пучности. Равновесие системы в случае жидкой струи обеспечивается капиллярными силами. В случае песчаных рельефов - гравитационными. Далее формируется все более регулярное чередование утончений и пучностей с прогрессивным нарастанием амплитуды колебаний (в жидкости), возникающих в результате перераспределений внешних возмущений и сил поверхностного натяжения. Утончения разрываются и образуются капли (схема распада жидкой струи). Для жидкоструйных систем К.А. Митрофановым и В.Н. Наумовым ("Авиапанорама" № 2, 2007) было замечено, что распадающаяся струя имеет четыре участка: струйный однородный (сплошная струя цилиндрической формы); струйный регулярный (сплошная струя с варикозной неоднородностью); капельный неоднородный (неупорядоченный поток основных капель и более мелких капель - сателлитов) и капельный однородный (упорядоченный поток монодисперсных капель).

Сравнение рельефных образований на Марсе с картинами распада жидких струй практически свидетельствует об их совпадении, за исключением отсутствия среди марсианских барханов мелких сателлитов. Видимо, они сдуваются ветром.

В жидкости, газе и плазме среди прочих отмечаются три основных элементарных вида турбулентности: это волны Толмина-Шлихтинга, градиентные волны Кельвина-Гельмгольца и вихри Тейлора-Гертлера. Подробное описание этих видов представлено, например, в журнале "Двигатель" № 5, 2008 г. Аналогичные виды турбулентности присутствуют и в масштабах Космоса. Фотографии, сделанные при помощи космических аппаратов, свидетельствуют об этом и подтверждают универсальность законов природы.

Уникальная фотография окрестностей острова Сахалин иллюстрирует крупномасштабные волны Толмина-Шлихтинга. В правом верхнем углу снимка видны регулярные водяные рельефы с постоянной амплитудой и частотой. По-видимому, в этой прибрежной части океан достаточно мелкий, и его глубина соизмерима с величиной амплитуды. В правом нижнем углу этой фотографии можно различить гигантские волны в виде цунами. Это - градиентные волны Кельвина-Гельмгольца. Они имеют форму регулярного вертикального солитона, постепенно переходящего в беспорядочные пенообразные структуры. Волны на начальном этапе обладают практически постоянными амплитудой и частотой.

В режиме волн Толмина-Шлихтинга также происходит и движение мелких частиц песка во время песчаной бури, как это удачно продемонстрировано на фотографии "Красные пески" компании Microsoft.

На фотографии NASA, сделанной из космоса, зафиксирован гигантский фрагмент Атлантического океана около северо-западного побережья Африки в 2004 г. Воздушный поток, проходя над островами, образует своеобразные завихрения, которые становятся видимыми благодаря затянутым в них облакам. Картина представляет собой горизонтальные градиентные волны Кельвина-Гельмгольца. Как видно, они парные, так как взаимодействуют друг с другом. Подобные течения часто можно наблюдать в повседневной жизни. Это, прежде всего, стратифицированные течения разнородных жидкостей и жидкостей, текущих параллельно с различными скоростями. К этому же виду относятся соприкасающиеся газовые потоки, например, течение продуктов сгорания в камере РДТТ с двухсоставным зарядом, течение плазмы за обтекаемым телом, где образуется так называемая дорожка Кармана (частный случай градиентных волн Кельвина-Гельмгольца).

На фотографии из космоса запечатлены Багамские острова и "язык океана". Глубина в темно-синей области, метко названной "океанским языком", составляет около 3 км. Для сравнения можно сказать, что глубина в районе самой Багамской платформы (светло-синие и голубые области на фотографии) не более 15 м. Из-за малой глубины вблизи края "языка" формируются продольные вихревые образования. В масштабах космоса они выглядят тонкодисперными и, по-видимому, соизмеримыми с глубиной океана в этой области. Вихри напоминают вихри Тейлора-Гертлера. Они достаточно регулярные и устойчивые. Периодичность вихрей соизмерима с их амплитудой, а длина почти на порядок больше. Возникновение вихрей обусловлено наличием положительного градиента давления, возникающего при торможении приграничных с "языком" потоков океанической воды. В ранних работах автора были приведены многочисленные примеры течений в режиме вихрей Тейлора-Гертлера. Их физическая и математическая интерпретация была подробно изложена для различных ситуаций, возникающих при течении жидкостей, газов и плазмы.

Важнейшим видом турбулентности является движение жидкости в режиме кручения (торсионная составляющая). Это деформационное движение наименее изучено в силу сложности его визуализации. В масштабах Космоса этот вид можно ассоциировать с протуберанцами на Солнце. Протуберанец- закрученное плазменное образование. Поскольку протуберанцы носят случайный характер, они неустойчивы и имеют вид локальных жгутов различной протяженности. Они могут казаться бесформенными, но при более подробном исследовании их можно отнести к высокодифференцированным структурам, иногда улавливая в них некоторую регулярность.

В настоящее время накоплен большой фактический материал в виде фотографий, сделанных из Космоса, в виде различных физических измерений параметров и даже видеосъемок, фиксирующих процессы одновременно с этими параметрами. Процесс исследования Космоса находится на стадии подъема. Все новые и новые и космические аппараты проводят уникальные измерения, передавая на Землю бесценную информацию о мироздании. Проводимые аналогии, доступные человеку на Земле, используются для исследования взаимосвязей в Космосе. Космическая турбулентность - одна из таких аналогий, и если эта аналогия продвигает человека в его познании, значит, она полезна. Значит, законы турбулентности, открытые на Земле, справедливы и в Космосе, а уравнения, описывающие эти законы - универсальны, равно как универсальной является торсионно-волновая парадигма турбулентности.