کشف سازوکار گرداب‌ها

برگردان: احسان سنایی

جو زمین و هسته‌ی مذاب بیرونی‌اش علی‌رغم اینکه هیچ ارتباط مستقیمی ندارند، در یک خصیصه مشترک‌اند: هر دو میزبان جریانات مارپیچ و گرداب‌مانندند. در جو، به‌شکل گردبادها و هاریکان؛ و در هسته‌ی بیرونی، به‌شکل جریانات مولد میدان مغناطیسی زمین. به‌گفته‌ی فیزیکدانان نظری دانشگاه کالیفرنیا-سانتاباربارا (UCSB) که با گروهی محاسباتی از هلند همکاری می‌کرده‌اند؛ این پدیده‌ها در درون زمین و در جو آن؛ هر دو تابع سازوکارهایی مشابه‌اند.

گروه، با به‌کارگیری لوله‌های آزمایشگاهی مختلف‌الابعادی به بلندای ۱۰ تا ۱۰۰ سانتیمتر؛ این فرآیندهای ضمنی فیزیکی را مورد مطالعه قرار داده‌اند. نتایج این بررسی، سرانجام در نشریه‌ی علمی Physical Review Letters انتشار یافت.

دکتر «گنتر الرز» (Guenter Ahlers)؛ سرپرست نویسندگان این مقاله و استاد فیزیک UCSB، در این‌باره می‌گوید: «بررسی جو [زمین]، برای اهداف مدنظرمان فوق‌العاده پیچیده تلقی می‌شود. فیزیکدانان مایلند تا که یک عنصر از وضعیتی پیچیده را [زیر نظر] بگیرند و آن را به‌شکل عددی و در شرایط ایده‌آل بررسی کنند». تیم پژوهشی، شامل دکتر «استفان ویس» (Stephan Wiess)؛ دانشجوی فوق‌دکترا در UCSB، نخست استوانه‌های آزمایشگاهی را از آب پر کردند و آنان را از پایین گرم، و از بالا سرد کردند.

تصویر ماهواره‌ای از گردباد مهیب کاترینا در ۲۹ آگوست ۲۰۰۵ / ناسا

به‌واسطه‌ی اختلاف دما، مایع گرم قعر لوله، به‌سمت بالا صعود کرد؛ حال‌آنکه مایع سردتر بالا به‌سمت پایین نفوذ کرد؛ پدیده‌ای که بدان نام «همرفت» اطلاق می‌شود. به‌علاوه، استوانه‌ها در راستای محور قدشان به چرخش در می‌آمدند که این، بر نحوه‌ی جریان آب درون لوله تأثیر می‌گذاشت. این چرخش، همانند چرخش زمین؛ عاملی کلیدی در ایجاد جریانات گردابی‌ست. اختلاف دمای مابین بالا و پایین لوله، عامل سببی دیگری‌ست؛ چراکه همین اختلاف، نخستین جریان را کلید می‌زند. در نهایت، ارتباط مابین قطر استوانه‌ها و قدشان نیز پرمعنی بود.

الرز و گروهش در این حین، پدیده‌ی نامنتظره‌ای را کشف نمودند که تا پیش‌تر، در حوزه‌ی جریانات متلاطم، شناختی اینچنین از آن وجود نداشت. زمانی‌که لوله‌ها را به‌قدر کافی آهسته می‌چرخانیم؛ ابتدا هیچ جریان گرداب‌مانندی ایجاد نمی‌شود. اما در سرعت چرخش مشخصی که می‌توان «آستانه»‌اش نامید؛ ساختار جریان دچار تغییر می‌شود. از آن پس، گرداب‌هایی در مایع پدیدار می‌گردد و آب گرم انتهای لوله هم با سرعتی بیشتر در قیاس با زمانی‌که لوله آهسته می‌چرخید؛ به بالا صعود می‌کند. الرز در این‌باره می‌گوید: «وجود چنین نقطه[ی آستانه‌]ای شگفت‌انگیز است. شما بایستی‌که [لوله را] با سرعت مشخصی بچرخانید تا به این نقطه برسید».

میزان چرخشی که طی آن، نخستین جریانات گردابی پدیدار می‌شوند؛ بسته به ارتباط مابین قطر و درازای هر لوله است. برای لوله‌های پهن‌تری که ارتفاع چندانی ندارند؛ این گذار در سرعت‌های چرخشی تقریباً کمی بروز می‌کند؛ حال‌آنکه برای لوله‌های باریک و بلند، لوله را بایستی‌که نسبتاً با سرعت بالایی چرخاند تا که چنین جریاناتی پدید آید. به‌علاوه، مشخص گردید که ریزگرداب‌ها چندان به دیواره‌ی لوله نزدیک‌ نمی‌شوند و در عوض، همواره در فاصله‌ی مشخصی نسبت بدان ایجاد می‌گردند. این فاصله‌ی مشخص را «طول پیوند» می‌نامند.

الرز می‌گوید: «نمی‌توان از هیچ، به یک سرعت رسید. این تغییر، بایستی‌که در طول مشخصی روی دهد. ما فهمیدیم زمانی‌که سرعت چرخش را کمتر می‌کنید؛ «طول پیوند» افزایش می‌یابد».

پژوهش‌گران نشان دادند که یافته‌های تجربی‌شان، در مدلی نظری جای می‌گیرد که همانند همان مدلی‌ست که نخست توسط «ویتالی لازارویچ گینزبرگ» (Vitaly Lazarevich Ginzburg) و «لف لانداو» (Lev Landau) تحت نظریه‌ی ابررسانایی مطرح گردید. این مدل، قابل تعمیم به دیگر حوزه‌های فیزیک است و می‌گوید که وجود عامل گذار از حالتی آرام به حالتی که در آن جریانات گردابی به‌ چشم می‌خورد؛ متضمن وجود دیواره‌های ظرف است. چرخش آهسته‌ی نمونه‌‌هایی که پهنای فراوانی (در قیاس با ارتفاع‌شان) داشته باشند و این دیواره‌ها برایشان چندان اهمیتی نیابد نیز منجر به ایجاد این گرداب‌ها می‌شود. این مدل، امکان شرح کشفیات تجربی را فراهم می‌سازد.

منبع: پرتال دانشگاه کالیفرنیا-سانتا باربارا