همشهری آنلاین - یکتا فراهانی: جریانهای متلاطم همواره یکی از رمزآلودترین پدیدهها در فیزیک بودهاند؛ از جوشآمدن یک قوری آب تا جریانهای عظیم در هسته سیاره ما. حالا گروهی از فیزیکدانان دانشگاه نیویورک در آزمایشی الهامگرفته از رفتار چرخشی هسته زمین به کشفی عجیب رسیدهاند: وقتی یک جسم جامد آزاد در دل این جریانها قرار گیرد، نهتنها گرفتار بینظمی نمیشود، بلکه با نظمی شگفتانگیز شروع به چرخش میکند. این یافته، نه فقط درک ما از سیالات را به چالش میکشد، بلکه میتواند راهی نو برای فهم بهتر ساختار و رفتار درونی زمین بگشاید.
تلاطم سیال
مطالعه جدیدی که در نشریه معتبر Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده، به بررسی نوع خاصی از تلاطم سیال میپردازد؛ تلاطمی که نهتنها در زمین، بلکه در پدیدههایی مانند آب جوشان نیز یافت میشود. این پژوهش بر پدیدهای به نام همرفت ریلی–بنارد (Rayleigh–Bénard convection) تمرکز دارد؛ حرکتی از سیال که بر اثر گرمشدن از پایین ایجاد و منجر به جریانهای چرخشی پیچیده میشود.
شبیهسازی هسته زمین
در این آزمایش، پژوهشگران از یک محفظه استوانهای پرازآب استفاده کردند که از پایین گرم میشد و به دلیل اختلاف دما، جریانهای همرفتی متلاطمی درون آن شکل میگرفت. در دل این محفظه، صفحهای جامد و مستطیلی شکل بهگونهای آویزان شده بود که بهصورت آزاد حرکت میکرد. این چینش به پژوهشگران اجازه داد تا تعامل میان یک جسم جامد و جریانهای متلاطم اطراف آن را بهدقت مطالعه کنند؛ شرایطی که شباهتهایی با رفتار هسته درونی زمین در دل هستة مایع بیرونی دارد.
بیشتر بخوانید :
چرخش نرم در میان آشوب
آنچه فیزیکدانان را شگفتزده کرد، مشاهده نوعی رفتار منظم و قابلپیشبینی در دل جریانهای متلاطم بود. برخلاف انتظار، جسم جامد معلق در سیال، همراه با جریانها شروع به چرخشی نرم و هماهنگ کرد. پروفسور «جون ژانگ» از دانشگاه نیویورک و نویسنده اصلی این مقاله، میگوید: نتایج ما نشان دادند که حتی در دل تلاطمهای شدید، سیستم بهنوعی رفتاری منظم از خود نشان میدهد. ما شاهد چرخشی نرم و همجهت میان جریانها و جسم جامد بودیم.
راز تغییر جهت
مطالعات نشان میدهند این چرخشها میتوانند در دو جهت ساعتگرد یا پادساعتگرد رخ دهند و سرعت چرخش، بهشدت جریانهای همرفتی وابسته است. نکته جالبتر آنکه در بعضی لحظات، جهت چرخش سیستم به طور کامل تغییر میکند؛ رخدادی که به طور مستقیم ناشی از ماهیت متغیر تلاطمهاست.
پژوهشی الهامگرفته از هسته زمین
الهام این پژوهش از پدیده «چرخش فوقانی» هسته درونی زمین گرفته شده؛ جایی که تصور میشود هسته جامد در تعامل با هسته مایع اطرافش، رفتارهای چرخشی ویژهای از خود نشان میدهد. ژانگ توضیح میدهد: ما تلاش کردیم تعامل میان یک جریان تلاطمی و یک جسم جامد آزاد را بررسی کنیم. نتایج تأیید میکنند حتی تلاطم نیز میتواند با تعامل با اجسام جامد، رام و قابلپیشبینی شود.
قدرت فراموششده همرفت حرارتی
این پژوهش همچنین یادآوری میکند نقش همرفت حرارتی؛ پدیدهای که ناشی از گرمایش از پایین است در درک ساختار سیارات میتواند بسیار فراتر از تصورات کنونی ما باشد. جریانهای حرارتی ممکن است نهتنها عامل حرکت لایههای زیرین زمین باشند، بلکه حتی در کنترل و شکلگیری رفتارهای چرخشی درونی نیز نقش حیاتی ایفا کنند.
وقتی فیزیک، چرخش زمین را بازسازی میکند
مطالعه جدید، چشمانداز تازهای از درک ما نسبت به رفتار سیالات در محیطهای پیچیده گشوده است. اینکه جریانهای متلاطم بتوانند در تعامل با یک جسم جامد به نظمی قابلپیشبینی دست یابند، نهتنها جذاب است، بلکه میتواند در مطالعات ژئوفیزیکی، طراحی سیستمهای خنککننده، و حتی پژوهشهای مهندسی کاربرد داشته باشد.
نظر شما