Введение

В динамике жидкостей, вихрь – это закручивание жидкости и обратный поток, возникающие при турбулентном режиме течения. Движущаяся жидкость создает область, лишенную потока вниз по течению, с подветренной стороны объекта. Жидкость, обтекающая препятствие, заполняет эту область, образуя закручивание жидкости по краям препятствия, за которым следует кратковременный обратный поток, направленный вверх по течению, к задней части препятствия. Это явление можно наблюдать за крупными камнями, выступающими из воды в быстротекущих реках. Вихрь – это движение жидкости, отклоняющееся от общего направления потока. Примером вихря является воронка, вызывающая подобное отклонение. Однако существуют и другие типы вихрей, не являющиеся простыми воронками. Например, волна Россби – это вихрь, представляющий собой волнистое отклонение от среднего течения, но не имеющий замкнутых линий тока, характерных для воронки.

Вихри и вихри в машиностроении

Склонность жидкости к закручиванию используется для обеспечения хорошего смешивания топлива и воздуха в двигателях внутреннего сгорания. В механике жидкостей и транспортных явлениях вихрь – это не свойство жидкости, а интенсивное вращательное движение, вызванное положением и направлением турбулентного потока.

Гемодинамика

Гемодинамика – это изучение кровотока в системе кровообращения. Кровоток в прямых участках артериального дерева обычно ламинарный (высокое направленное напряжение на стенку), однако ветвления и изгибы в системе вызывают турбулентный поток. Данные о явлениях турбулентного потока используются для моделирования различных переходов в режимах течения жидкости, которые применяются для тщательного перемешивания жидкостей и повышения скорости реакций в промышленных процессах.

Течения жидкостей и контроль загрязнения

Океанские и атмосферные течения переносят частицы, обломки и организмы по всему земному шару. Перенос организмов, таких как фитопланктон, необходим для поддержания экосистем, однако нефть и другие загрязнители также перемешиваются с течением и могут распространять загрязнение на большие расстояния от источника. Вихревые образования собирают мусор и другие загрязнители в концентрированных областях, за которыми ученые наблюдают для повышения эффективности очистки и предотвращения загрязнения. Распространение и перемещение пластика, вызванное вихревыми образованиями в природных водоемах, можно прогнозировать с использованием лагранжевых моделей переноса. Мезомасштабные океанские вихри играют ключевую роль в переносе тепла к полюсам, а также в поддержании градиентов температуры на различных глубинах.

Экологические потоки

Моделирование развития вихрей, в связи с турбулентностью и процессами переноса веществ, имеет решающее значение для понимания функционирования экологических систем. Понимание переноса как взвешенных, так и растворенных веществ в потоках окружающей среды позволит ученым и инженерам эффективно разрабатывать стратегии по ликвидации последствий загрязнений. Образование вихрей играет важную роль в распространении и переносе растворенных веществ и частиц в экологических потоках, таких как реки, озера, океаны и атмосфера. Апвеллинг в расслоенных прибрежных эстуариях способствует формированию динамических вихрей, которые распределяют питательные вещества из-под пограничного слоя, образуя шлейфы. Мелководья, такие как прибрежные зоны, играют сложную роль в переносе питательных веществ и загрязняющих веществ из-за влияния верхней границы, обусловленной ветром, и нижней границы вблизи дна водоема.

Мезомасштабные океанские вихри

Вихри – обычное явление в океане, их диаметр варьируется от сантиметров до сотен километров. Наименьшие вихри могут существовать всего несколько секунд, в то время как более крупные могут сохраняться месяцами или годами. Вихри диаметром от 10 до 500 км, сохраняющиеся в течение дней или месяцев, в океанографии известны как мезомасштабные вихри. Мезомасштабные вихри делятся на две категории: статические вихри, возникающие из-за обтекания потоком препятствия (см. анимацию), и преходящие вихри, вызванные бароклинной нестабильностью. Когда в океане присутствует градиент высоты уровня моря, это формирует струйное течение или океанское течение, такое как Антарктическое циркумполярное течение. Это течение, являясь частью бароклинически нестабильной системы, извивается и создает вихри (подобно тому, как извилистая река образует старицу). Вихри этого типа наблюдались во многих крупных океанских течениях, включая Гольфстрим, течение Агульяс, течение Куросио и Антарктическое циркумполярное течение, среди прочих. Мезомасштабные океанские вихри характеризуются течениями, циркулирующими вокруг центра вихря приблизительно по кругу. Направление вращения этих течений может быть как циклоническим, так и антициклоническим (например, вихри Хайда). Океанские вихри обычно состоят из водных масс, отличных от окружающих. То есть, вода внутри вихря обычно имеет другие характеристики температуры и солености, чем вода снаружи. Существует прямая связь между свойствами водной массы вихря и направлением его вращения. Теплые вихри вращаются антициклонически, а холодные – циклонически. Из-за интенсивной циркуляции, связанной с вихрями, они представляют интерес для военно-морских и коммерческих операций в море. Кроме того, поскольку вихри переносят аномально теплую или холодную воду при движении, они оказывают значительное влияние на перенос тепла в определенных частях океана.

Влияние на высших хищников

Известно, что в субтропической Северной Атлантике существуют как циклонические, так и антициклонические вихри, связанные с высоким и низким уровнем поверхностного хлорофилла соответственно. Наличие хлорофилла и более высокие его уровни позволяют этому региону поддерживать большую биомассу фитопланктона, что обусловлено областями с повышенными вертикальными потоками питательных веществ и транспортировкой биологических сообществ. Эта область Атлантики также считается океанической пустыней, что создает интересный парадокс, поскольку в ней обитают разнообразные крупные популяции пелагических рыб и высших хищников. Эти мезомасштабные вихри оказались полезными для разработки экосистемного управления моделями пищевой сети, позволяя лучше понять использование этих вихрей как высшими хищниками, так и их добычей. Гаубе и др. (2018) использовали теги Smart Position or Temperature Transmitting tags (SPOT) и Pop Up Satellite Archival Transmitting tags (PSAT) для отслеживания передвижений и поведения при нырянии двух самок белых акул (Carcharodon carcharias) внутри вихрей. Вихри определялись по высоте уровня моря (SSH) и контурам, используя радиусную шкалу, основанную на горизонтальной скорости. Исследование показало, что белые акулы ныряли как в циклонах, так и в антициклонах, но предпочитали антициклоны, в которых было в три раза больше погружений, чем в циклонических вихрях. Кроме того, в вихрях Гольфстрима антициклонические вихри встречались на 57% чаще и характеризовались большим количеством и глубиной погружений, чем вихри открытого океана и циклонические вихри Гольфстрима. Более того, популяции добычи могут быть более сконцентрированы внутри этих вихрей, привлекая крупных самок акул на охоту в этой мезопелагической зоне. Эта закономерность ныряния может соответствовать диэльной вертикальной миграции, однако без дополнительных данных о биомассе их добычи в этой зоне нельзя делать выводы, основываясь только на этих косвенных доказательствах. Биомасса в мезопелагической зоне изучена недостаточно, что может приводить к недооценке биомассы рыб в этом слое. Более точные измерения этой биомассы могут принести пользу коммерческому рыболовству, предоставив им дополнительные рыболовные угодья в этом регионе. Кроме того, для популяций рыб и высших хищников, которые могут зависеть от этого источника пищи, а также для разработки более эффективных планов экосистемного управления, крайне важно дальнейшее изучение этого региона открытого океана и понимание того, как вылов рыбы в этом регионе может повлиять на эту пелагическую пищевую сеть.