Физики разработали новую модель, объясняющую дискомфорт, с которым слишком хорошо знакомы авиапассажиры
Бьорн Бирнир боится, когда в самолёте его сосед спросит, чем он зарабатывает на жизнь. Ведь доктор Бирнир — один из ведущих мировых учёных в области турбулентности - хаотического движения жидкостей или газов в условиях возмущений. Неизбежно, сосед задаст доктору Бирниру вопрос, который, он уверен, будет задан, но на который не хочет отвечать: насколько вообще опасна турбулентность?
В наши дни этот вопрос всё чаще задают три миллиона человек, которые ежедневно улетают и прилетают в американские аэропорты. Сильная турбулентность, которая когда-то казалась второстепенной проблемой пассажирской авиации, подобно плохому питанию и ограниченному пространству для ног, становится всё более серьёзной.
В 2023 году британские исследователи, используя метеорологические данные, собранные за несколько десятилетий, пришли к выводу, что сильная турбулентность над Северной Атлантикой в период с 1979 по 2020 год увеличилась на 55%. (В исследовании рассматривалась только турбулентность ясного неба, которая возникает, когда самолёт не летит сквозь шторм или над горным хребтом; такую турбулентность особенно сложно предсказать.)
«Я много раз думал, как было бы замечательно, если бы мы могли сделать авиаперелёты немного приятнее», — сказал Бирнир, руководитель Центра комплексной и нелинейной науки и заведующий кафедрой математики в университете Санта-Барбары. Его последний вклад в эту работу — недавняя статья в научном журнале Physical Review Research, в которой, по его словам, представлена, пожалуй, самая передовая модель турбулентности. Эта модель, в свою очередь, может помочь инженерам, стремящимся сделать полёты более безопасными и менее стрессовыми.
«Конструкция самолётов от этого только выиграет, — сказал доктор Бирнир. — Нам определённо следует ожидать более совершенных метеорологических моделей».
Томас Карни, профессор авиационных технологий в отставке Университета Пердью, имеющий за плечами более 11 тыс. часов налета в качестве пилота, сказал: «Чем лучше модель, чем больше она фиксирует особенностей конкретного поля турбулентности, тем точнее прогноз, который и будет использовать пилот».
Полёты с американскими авиакомпаниями остаются исключительно безопасными, но недавние происшествия начали подрывать доверие к коммерческой авиации. В сентябре Национальный совет по безопасности на транспорте опубликовал промежуточный отчёт о рейсе авиакомпании Delta Air Lines, в результате которого несколько человек в конце июля получили травмы во время столкновения с неожиданно сильными ветрами над Вайомингом. Пилоты пытались избежать непогоды, но неожиданно попали в турбулентные потоки. (Изменение климата также может оказывать своё влияние, поскольку потепление атмосферы влияет на давление воздуха и скорость ветра.)
Турбулентность давно представляет собой проблему для учёных, хотя в последние годы исследователи добились значительных успехов в понимании её механизмов. Ричард Фейнман, физик, лауреат Нобелевской премии, однажды назвал её «важнейшей нерешённой проблемой классической физики». Одна из причин заключается в том, что турбулентность «основана на множестве движущихся частей, если можно так выразиться: температуре, давлении, ветре и так далее», — сказал Патрик Смит, пишущий об авиации в своем блоге Ask the Pilot. «Факторы и условия, вызывающие турбулентность, могут меняться очень быстро».
Система изначально хаотична и отказывается развиваться по предсказуемому пути. Частицы, находящиеся в турбулентном движении, «начинают расходиться в разных направлениях», — сказал Таннер Хармс, изучавший турбулентность в докторантуре Калифорнийского технологического института. Эти направления крайне сложно точно смоделировать. «Определение хаоса практически неразрывно связано с самой турбулентностью».
Чтобы попытаться понять природу хаоса, доктор Бирнир совместно с Луизой Ангелута-Бауэр, физиком-теоретиком из Университета Осло, разработали модель, сочетающую два различных метода наблюдения турбулентности: так называемую эйлерову и лагранжеву механику. Эксперты утверждают, что ни одна из этих систем сама по себе не может полностью объяснить механизм турбулентности.
Это связано с тем, что эти две модели рассматривают принципиально разные аспекты турбулентной системы. В лагранжевой механике исследователи наблюдают простую частицу, тогда как в эйлеровой — одну точку пространства. Проще говоря, лагранжева механика подобна наблюдению за листом, плывущим по реке под влиянием водоворотов. С другой стороны, Эйлерова механика подобна наблюдению за камнем, выступающим из реки, и изучению того, как турбулентность воды движется вокруг этой фиксированной точки.
Моделировать лагранжеву турбулентность сложнее, поскольку для этого требуется понимание поведения отдельной частицы. Эта отдельная частица «будет совершать самые сложные движения, которые только можно себе представить», — говорит доктор Бирнир.
Понимание того, как каждый тип турбулентности вписывается в общую картину, подобно выбору подходящего объектива для микроскопа, поскольку оба сильно зависят от перспективы. «Одна и та же турбулентность, разные истории», — сказал Томек Ярославский, научный сотрудник Центра исследований турбулентности в Стэнфорде. «Ни одна из этих точек зрения не является ошибочной — это просто разные способы задать природе вопрос».
Он и доктор Ангелута-Бауэр использовали как теоретический, так и статистический подходы. Ранее физикам не удавалось создать столь всеобъемлющую модель турбулентного движения. «Результат, без сомнения, новаторский», — заявил Катепалли Шринивасан, бывший декан Инженерной школы Нью-Йоркского университета, признав, что некоторые эксперты не согласны с его оценкой.
«Полностью развитая турбулентность — это состояние, при котором всё хаотично», — сказал Дж. Дойн Фармер, профессор сложных и хаотических систем Оксфордского университета. «Эти вихри ведут себя крайне хаотично, и у них много степеней свободы».
Доктор Бирнир заявил, что, по его мнению, полёт Delta Air Lines над Вайомингом «является типичным примером серьёзной прерывистости эйлеровой турбулентности», хотя, по его словам, он не может провести окончательный анализ без доступа к исходным данным. Он добавил, что более детальная модель турбулентности могла бы позволить пилотам принять превентивные меры, например, снизить мощность двигателей, чтобы противостоять эйлеровой турбулентности, через которую они пролетали.
Доктор Карни из Университета Пердью признался, что часть работы, проделанной доктором Бирниром и доктором Ангелута-Бауэр, ему не по плечу и, вероятно, будет недоступна для любого пилота, не имеющего опыта в вычислительной гидродинамике. Но это не умаляет её потенциальной полезности. «Я уверен, что они расширяют наши знания», — сказал он.
Источник: The New York Times
Ставьте лайки, подписывайтесь на наш канал и оставляйте комментарии внизу. Теперь мы и в Телегараме t.me/aviaoboz
Читайте еще на канале