Перелеты без тряски: физики решили проблему турбулентности

Турбулентность — хаотическое, иногда упорядоченное колебание скорости среды (потока) по направлению и величине. Это явление наблюдают в движущемся газе и жидкости — в воздухе и в воде. С появлением авиации пилоты неизбежно сталкивались с турбулентностью и учились обходить грозы и горные районы, где восходящие и нисходящие потоки — обычное дело.

Однако самый коварный вид турбулентности — турбулентность ясного неба. Она возникает внезапно, в небе без облаков или штормов, и ее практически невозможно обнаружить стандартными бортовыми радарами.

В последнее время опасность турбулентности растет. В 2023 году группа британских ученых проанализировала метеорологические данные, собранные за несколько десятилетий. Их вывод шокировал: за период с 1979 по 2020 год интенсивность сильной турбулентности ясного неба над Северной Атлантикой выросла на 55 процентов. Это тревожная тенденция для одного из самых загруженных авиационных маршрутов в мире.

Проблема выходит за рамки простого неудобства. Хотя авиакатастрофы из-за турбулентности крайне редки, травмы пассажиров и членов экипажа — печальная реальность. Совсем недавно, в конце июля 2025 года, рейс авиакомпании Delta Air Lines над штатом Вайоминг в США попал в зону неожиданно сильной турбулентности. Самолет резко тряхнуло, несколько человек получили травмы. Национальный совет по безопасности на транспорте США уже опубликовал промежуточный отчет по этому инциденту.

Гигантская экономия: как исследователи из Сибири снизят расход топлива самолетов В Институте теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН завершается очередной этап исследований влияния специального рельефа поверхности крыла пассажирского самолета на пов… naked-science.ru

Ученые признали, что фундаментальное понимание турбулентности до сих пор остается относительно слабым. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман однажды назвал турбулентность важнейшей нерешенной проблемой классической физики. Причина сложности кроется в самой природе явления. Турбулентность зачастую рождается из хаоса и зависит от скорости в разных частях потока, то есть факторов, которые быстро меняются во времени и пространстве.

Из-за этого поведение воздушных масс в турбулентном потоке трудно предсказать. Локальные вихри и разнонаправленные движения делают поток чрезвычайно сложным для точного моделирования.

Новый шаг к разгадке этой вековой тайны сделали Бьёрн Бирнир (Bjorn Birnir), руководитель Центра комплексных и нелинейных наук Университета Калифорнии в Санта-Барбаре, и Луиза Ангелута-Бауэр (Luiza Angheluta-Bauer), физик-теоретик из Университета Осло. Их работа, опубликованная в авторитетном журнале Physical Review Research, предлагает модель, которая объединяет два принципиально разных подхода к изучению турбулентности.

Изменение климата увеличивает турбулентность Травмы пассажиров во время прохождения зоны турбулентности могут стать более распространенными из-за изменения климата. naked-science.ru

Традиционно турбулентность изучают двумя способами. Первый — Лагранжевый подход. В этом случае исследователь следит за отдельным элементом потока. Это похоже на наблюдение за одиноким листом, который несет течением реки. Лист кружится в водоворотах, подпрыгивает на волнах, его путь причудлив и непредсказуем.

Второй способ — Эйлеровский подход. Ученый фокусируется не на движущемся объекте, а на фиксированной точке в пространстве. Представьте себе камень, торчащий из воды. Исследователь смотрит, как вода и ее вихри обтекают этот неподвижный камень. Он видит изменение скорости и направления потока в одной точке, но не следит за отдельной каплей.

Каждый подход хорош по-своему, но ни один не дает полной картины. Лагранжева механика требует сложного моделирования траекторий частиц в потоке. Подход Эйлера проще, но он статичен и не показывает общую динамику потока.

Бирнир и Ангелута-Бауэр создали гибридную модель, которая сочетает оба подхода. Они использовали теоретические выкладки и статистический анализ, чтобы построить мост между двумя методами.

«Турбулентность — это состояние, где все сходит с ума. Вихри ведут себя очень хаотично, существует множество степеней свободы. Новая модель — ключ к тому, чтобы понять этот безумный танец стихии», — пояснил Дж. Дойн Фармер (J. Doyne Farmer), профессор Оксфордского университета, специализирующийся на хаотических системах.

Подсчитан точный вклад авиации в глобальное потепление По новым оценкам, авиация ответственна за 1,5 процента общих выбросов углекислого газа — и за 3,5 процента всего антропогенного вклада в изменение климата. naked-science.ru

Как именно гибридная модель улучшит полеты? По мнению авторов новой работы, их подход к турбулентности позволит метеорологам создавать гораздо более детальные и точные прогнозы. В перспективе пилоты будут получать не общую карту зон возможной тряски, а конкретные данные о силе, расположении и характере турбулентных потоков на маршруте. Чем лучше модель, чем больше деталей турбулентного течения она учитывает, тем точнее будет прогноз, который получит пилот. А точный прогноз — основа для принятия верных решений в кабине экипажа.

Однако новая модель сама по себе вряд ли попадет в руки пилотов: она сложна и требует навыков в вычислительной гидродинамике. Это не делает открытие бесполезным — ученые рассчитывают, что на ее основе будут созданы прикладные инструменты: улучшенные метеопрогнозы, алгоритмы для бортовых систем и конструктивные решения, делающие самолеты более устойчивыми к хаотичным потокам воздуха.