Океанское течение шириной в сотни километров живёт своей жизнью, подпитываясь энергией от крошечных водоворотов. В атмосфере происходит нечто похожее: мелкие завихрения отдают свою мощь огромным воздушным потокам. Этот процесс — обратный каскад энергии — известен давно. Но до сих пор его изучали, считая воздух абсолютно сухим, как будто в нём никогда не бывает облаков.
Новое исследование добавляет в эту картину воду и фазовые переходы — испарение и конденсацию. Оказалось, что в насыщенных влагой зонах картина резко меняется. Там, где воздух напитан водой, как губка, передача энергии к крупным структурам замедляется. Причина — в самих облаках. На их границах возникают нелинейные волны: тёплый воздух резко поднимается вверх, холодный — падает вниз. Эти вертикальные потоки работают как невидимые стены, перераспределяя энергию по-своему.
Авторы построили численную модель, где атмосфера наполнена паром и каплями, а микрофизика облаков работает мгновенно. Они обнаружили, что в областях, где преобладают влажные вихри, статистические связи между границами облаков, вертикальными потоками и завихренностью становятся ключевыми. Это похоже на слоёный пирог: каждый слой — своя фаза воды, и на стыках слоёв рождаются мощные движения, которые и задают тон всей энергетической кухне.
Обратный каскад энергии в атмосфере напоминает финансовый кризис: мелкие проблемы накапливаются и внезапно обрушивают всю систему, только здесь энергия не разрушает, а строит гигантские воздушные течения.
В романе «Марсианин» Энди Вейера точный учёт влажности и фазовых переходов воды становится вопросом жизни и смерти — примерно так же, как в этой работе, где от влажности зависит судьба атмосферных вихрей.