Группа учёных из Великобритании и Франции под руководством Питера Рида из Оксфордского университета (University of Oxford) провела лабораторный эксперимент, позволивший воспроизвести ключевые процессы переноса энергии в атмосфере Земли.

Атмосферные потоки охватывают широкий диапазон масштабов — от струйных течений протяжённостью тысячи километров до мелких вихрей. Их взаимодействие описывается через каскады энергии и углового момента (характеристика вращательного движения), которые определяют перераспределение энергии в турбулентной среде.

Ранее наблюдения атмосферы и теоретические модели давали различающиеся результаты для этих каскадов. Для проверки физических механизмов учёные создали установку, имитирующую условия планетарной атмосферы. Она представляет собой вращающийся цилиндр, заполненный смесью воды и глицерина, с заданной разницей температур между внутренней и внешней стенками, что воспроизводит температурный градиент от экватора к полюсам.

Движение жидкости отслеживалось с помощью частиц-трассеров, что позволило измерить распределение энергии и углового момента на разных масштабах. Анализ показал, что на больших масштабах энергия быстро уменьшается при переходе к более мелким структурам, тогда как на малых масштабах остаётся почти постоянной. Такая зависимость согласуется с атмосферными наблюдениями.

Эксперимент выявил различное направление каскадов: энергия переносится от малых вихрей к крупным потокам, тогда как угловой момент — в противоположном направлении. Это объясняет особенности спектра энергии в атмосфере и его поведение на больших масштабах. Интенсивность этих процессов возрастает с увеличением скорости вращения системы и температурной разницы.

Дополнительно установлена зависимость характеристик каскадов от вертикального температурного градиента. Этот параметр обычно не учитывается в атмосферных моделях, что может быть одной из причин расхождений с наблюдениями.

Полученные результаты уточняют физические механизмы турбулентности и могут быть использованы для улучшения климатических моделей. Более точное описание переноса энергии в атмосфере необходимо для прогнозирования её поведения, включая изменения в условиях глобального потепления.