Рис. Воссоздание атмосферных потоков в лабораторных условиях. Источник: Шань-Шань Дин и др.

В эксперименте использовался вращающийся цилиндрический резервуар с центральной внутренней стенкой, зазор между стенками которого был заполнен на глубину 24 см смесью воды и глицерина. Вращая цилиндр со скоростью от 0,5 до 10 оборотов в минуту, физики создали температурный градиент: нагревая нижнюю часть у внешней стенки, чтобы имитировать теплый экватор, и охлаждая у внутренней стенки, чтобы представить полюса. Такая установка генерировала конвективные потоки, которые очень похожи на атмосферную циркуляцию. Внося в жидкость мельчайшие частицы и отслеживая их движение, удалось детально визуализировать возникающую турбулентность, зафиксировав, как энергия и вращательное движение распространяются в широком диапазоне масштабов.

Анализ потоков позволил напрямую рассчитать каскады энергии и углового момента. На самых больших масштабах наблюдалось резкое падение спектра кинетической энергии, что указывает на быстрое уменьшение энергии флуктуаций по мере уменьшения размеров потоков. Однако на меньших масштабах спектр сглаживался, показывая, что флуктуации сохраняют аналогичную энергию даже при уменьшении их размера — что согласуется с атмосферными наблюдениями.

Эксперимент также выявил поразительное двойственное поведение: в то время как энергия, как было установлено, каскадно передается вверх, от меньших вихрей к более крупным потокам, угловой момент каскадно передается вниз, от больших вихрей к меньшим. Эта противоположная передача помогает объяснить крутой энергетический спектр, наблюдаемый в больших масштабах. В обоих случаях интенсивность каскада возрастала с увеличением скорости вращения и разницы температур между стенками. Что особенно важно, команда также обнаружила, что каскад зависит от вертикальной разницы температур внутри жидкости: особенность, не предсказанная современными атмосферными моделями. На данный момент происхождение этого эффекта остается неясным.