Турбулентность без диффузии в экспериментах по конвекции Рэлея-Бенара с вращающимся жидким металлом
Внутри звёзд и планет тепло переносится конвекцией: горячее вещество поднимается, а более холодное опускается. Это порождает турбулентные потоки, которые приводят в движение магнитное поле Земли и формируют динамику звёзд. Согласно теоретическим предсказаниям, эти потоки достигают особого состояния внутри быстро вращающихся небесных тел. Это предельное состояние называют режимом без диффузии, в котором большие потоки определяются почти исключительно плавучестью и вращением, а такие свойства жидкости, как вязкость или теплопроводность, становятся практически пренебрежимо малы. Многие модели внутренних областей звёзд и планет основаны на предположении, что конвекция действует именно в этом предельном режиме. Международная исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) впервые экспериментально подтвердила теоретически предсказанное состояние потока, считающееся характерным для внутренних областей быстро вращающихся небесных тел. Полученные результаты обеспечивают надёжную экспериментальную основу для проверки теоретических моделей подобных процессов. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Рис. Вращающаяся лабораторная установка. Источник: Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/pc8y-j7g8
До сих пор проблема заключалась именно в следующем: в классических лабораторных экспериментах на стенках экспериментальных сосудов образуются тепловые пограничные слои, влияющие на поток до такой степени, что его состояние оставалось скрытым. Поэтому долгое время оставалось неясным, возможно ли вообще проверить теоретические предсказания в экспериментальных условиях.
Международная исследовательская группа совершила решающий прорыв, проведя эксперимент с вращающимся жидкометаллическим потоком, используя жидкий галлий в качестве среды и особый режим осциллирующего течения, который возникает исключительно в жидких металлах. В отличие от классических стационарных конвективных течений, этот режим определяется не тепловыми пограничными слоями на стенках сосуда, а градиентом температуры внутри жидкости, что позволяет создать условия, которые давно предсказывали модели.
Для подтверждения результатов экспериментов физики сравнили три независимых показателя с теоретическими предсказаниями: теплоперенос, скорость потока и колебания температуры внутри жидкости. Все три показателя количественно соответствовали моделям. Высокоточные численные модели дополнительно подтвердили результаты.
Полученные результаты заполняют существовавший десятилетия разрыв между теорией и экспериментом, открывая новые возможности для исследования динамики внутри звезд и планет в лабораторных условиях — для создания более надежных моделей этих фундаментальных процессов во Вселенной.
