A kutatók előre jelezik a katasztrófákat az áramokban

Az egyetemes törvény számos kaustikus tényezőt ír le

A jelenlegi katasztrófák: Egy bizonyos ponton hirtelen több Kaustiken merül fel, amelyek a további út során elágaznak. © MPI a dinamikához és az önszervezéshez
felolvasta

Ha egy áram egy térbelilag véletlenszerűen változó erő hatására folyik, "katasztrófák" lépnek fel. Az áramlás különböző pontjain drasztikusan megnövekedett fluxussűrűségű áramvonalak alakulnak ki. Erre példa a nyílt tengeri szörnyhullámok, amelyek hirtelen nyugodt vizekben halmozódhatnak fel 25 méter és annál magasabbra. A tudósok most először mutattak be egy elméletet, amely előrejelzi az ilyen katasztrófák számát a jelenlegi időben.

A csodálatos dolog az, hogy ez a törvény univerzális, ami azt jelenti, hogy a fizikai rendszertől függetlenül leírja a folyóban bekövetkező katasztrófák számát, írja a Göttingeni Max Planck Dinamikai és Önszervezési Intézet kutatói a Physical Review Letters folyóiratba.

Az óceánáramok ingadozása, mint a szörnyhullám motorja

Az úgynevezett szörnyhullámok motorja a nyílt tengeren a legkisebb ingadozások az óceánáramban. Újra és újra, ez a szabálytalanság hatalmas hullámok megjelenését okozza. Ugyanez az elv érvényes a mikroszkopikus világban is: Vékony félvezető rétegekben az elektronok áramlása nagy sűrűségű áramszálakba kötődik. Mert itt apró szennyeződések vannak a félvezetőben.

Nem számít, folyik-e víz vagy elektron - a tudósok az katasztrofálisan megnövekedett fluxussűrűséget causticsnak nevezik. Hány ilyen caustics merül fel egy áramlás során? És milyen erős lehet a rendkívül nagy fluxussűrűségű szál ágának?

Kétdimenziós áramlások vizsgálata

"Ezekre a kérdésekre nem volt kielégítő válasz" - magyarázza Jakob Metzger, Max Planck kutató. Csak annyira volt egyértelmű: A kaustikus okoktól nagy távolságban a nagy sűrűségű áramvonalak száma gyorsan növekszik. Olyan gyorsan, hogy a sok vonal egyetlen diffúz patakba kenhető. A göttingeni tudósoknak most először sikerült matematikai módon leírni a közeli teret. kijelző

Számításaikban a kutatók a kétdimenziós áramlásokra összpontosítottak. "Mivel a tenger felszíne és a félvezető rétegek alapvetően kétdimenziós rendszerek, ez nem jelent komoly korlátozást" - magyarázza Metzger. A tudósoknak sikerült meghatározni matematikai kifejezéseket, amelyek leírják a két határ eset okozati tényezőinek számát - nagyon közel a forráshoz és távol tőle. A két kifejezés kombinálásával a tudósok olyan törvényt hoztak létre, amely univerzálisan érvényes. A második lépésben a kutatók különféle számítógépes rendszereket szimuláltak, hogy igazolják törvényeiket.

A kaustika elágazhat

Összességében az egyes rendszerek kóros tényezőinek száma azonos módon alakult, függetlenül a rendellenesség pontos jellegétől. "A forrástól egy bizonyos távolságra hirtelen többféle kaustika jelenik meg egyszerre" - írja le Metzger leletét, amelyet kollégája, Ragnar Fleischmann és Theo Geisel közreműködésével sikerült elérnie. Utána a kaustika elágazik, és még több létrejön, így számuk folyamatosan növekszik. Ezt a növekedést ismét lelassítják, mielőtt az ágak száma - amint már ismert - gyorsan növekszik.

"Az újonnan alapított törvény lehetővé teszi a caustika jobb előrejelzését" - mondja Fleischmann. A kutatók eredményeiket más rendszerekre is ki akarják terjeszteni. Az egyik alkalmazási terület a hangterjedés például az óceánban.

(Max Planck Tudományfejlesztő Társaság, 2010. július 16 - DLO)