Резкий крен, падение в воздушную яму и тревожный сигнал ремней безопасности — знакомые ощущения для любого, кто часто летает. Для миллионов пассажиров турбулентность остается главным источником дискомфорта и страха в полете. Но авторы нового исследования обещают перевести ее из разряда непредсказуемых явлений в область точной науки. Они заявили о создании, возможно, самой передовой математической модели турбулентности, которая поможет сделать полет гораздо спокойнее, пишет Naked Science.
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.
Ученые признали, что фундаментальное понимание турбулентности до сих пор остается относительно слабым. 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, руководитель Центра комплексных и нелинейных наук Университета Калифорнии в Санта-Барбаре, и Луиза Ангелута-Бауэр, 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.
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, профессор Оксфордского университета, специализирующийся на хаотических системах.
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 его основе будут созданы прикладные инструменты: улучшенные метеопрогнозы, алгоритмы для бортовых систем и конструктивные решения, делающие самолеты более устойчивыми к хаотичным потокам воздуха.