\documentclass[12pt]{article} \usepackage{graphicx} \usepackage{color} \usepackage[utf8]{inputenc} \usepackage[T2A]{fontenc} \usepackage[russian]{babel} \usepackage{amsmath} \topmargin=-1.8cm \oddsidemargin=-15mm \evensidemargin=-15mm \textheight=24.5cm \textwidth=19cm \tolerance=1000 \parskip=5pt plus 4pt minus 2pt \tolerance=9000 \DeclareMathOperator{\sech}{sech} % \begin{document} \section{Механизмы разрушения центральной инвариантной кривой, условия образования центральной стохастической струи.} Исследуется модельный поток, состоящий из струи Бикли и двух волн Россби с амплитудами $a_1$ и $a_2$. Цель~--- изучение структуры и статистических свойств центральной стохастической струи. Задачи~--- выявление условий разрушения $CIC$ при малой амплитуде возмущения, визуализация (анимация) метаморфоз $CIC$ при вариации управляющих параметров. \section{Нормировка} Для удобства численного моделирования введём специальную нормировку. Функция тока потока с двумя волнами Россби имеет вид: % \begin{equation} \Psi(x,y,t)= -U_0 L\tanh{\frac{y}{L}}+ a_1 U_0 L \sech^2{\frac{y}{L}}\cos{k_1(x-c_1 t)}+ a_2 U_0 L \sech^2{\frac{y}{L}}\cos{k_2(x-c_2 t)}, \label{orpsi} \end{equation} где $L$~---характерная ширина струи, $U_0$~--- максимальная скорость в невозмущёной струе, $a_1$, $a_2$, $c_1$, $c_2$, $k_1$, $k_2$~--- амплитуды, скорости и волновые числа двух волн Россби. Скорости $c_1$ и $c_2$ находятся следующим образом % \begin{equation} c_{1,2}=\frac{U_0}{3}(1\pm\alpha),\quad\alpha=\sqrt{1-\beta^*},\quad \beta^*=\frac{3L^2\beta}{2U_0} \label{c12} \end{equation} % и связаны с волновыми числами $k_1$, $k_2$ дисперсионным соотношением % \begin{equation} c_{1,2}=\frac{U_0L^2}{6}k_{1,2}^2. \label{disper} \end{equation} % Если поток замкнут в кольцо, обе волны можно характеризовать числами $n_1$ и $n_2$ (количество длин волн, укладывающихся на окружность) и выразить через них волновые числа и скорости % \begin{equation} k_{1,2}=\frac{n_{1,2}}{R},\quad c_{1,2}=\frac{U_0Q^2}{6}n_{1,2}^2,\quad Q=\frac{L}{R}, \label{n2kc} \end{equation} % где $R$~--- радиус окружности. Подставляя (\ref{n2kc}) в (\ref{c12}) получаем два уравнения, связывающие $n_{1,2}$ и $Q$, $\alpha$ % \begin{equation} \begin{aligned} n_1^2&=\frac{2}{Q^2}(1+\alpha),\\ n_2^2&=\frac{2}{Q^2}(1-\alpha). \end{aligned} \label{aQ2n} \end{equation} % Из (\ref{aQ2n}) нетрудно получить, что % \begin{equation} \alpha=\frac{n_1^2-n_2^2}{n_1^2+n_2^2},\quad \beta^*=1-\alpha^2=\frac{4n_1^2n_2^2}{\left(n_1^2+n_2^2\right)^2}=\frac{3L^2\beta}{2U_0},\quad Q^2=\frac{4}{n_1^2+n_2^2}=\frac{L^2}{R^2}. \label{n2aQ} \end{equation} % Рассмотрим преобразование переменных вида % \begin{equation} x'=Ax+Bt,\quad y'=Cy,\quad t'=Dt,\quad \Psi'=\frac{AC}{D}\Psi-\frac{B}{D}y'. \label{coordtrans} \end{equation} % Вид преобразования $\Psi$ в $\Psi'$ следует из того, что функция $\Psi'$ должна удовлетворять уравнениям Гамильтона в новых переменных. Применим последовательно (для удобства восприятия) преобразования вида (\ref{coordtrans}) к функции тока (\ref{orpsi}) (штрихи опускаем, $k_{1,2}$ и $c_{1,2}$ подставляем из (\ref{n2kc})). Первое преобразование~--- нормировка $y$ (избавляемся от $L$): % \begin{equation} \begin{gathered} A=D=1,\quad B=0,\quad C=\frac{1}{L},\\ \Psi(x,y,t)= -U_0 \tanh{y}+ a_1 U_0 \sech^2{y}\cos{\frac{n_1}{R}\left(x-\frac{U_0L^2}{6R^2}n_1^2 t\right)}+ a_2 U_0 \sech^2{y}\cos{\frac{n_2}{R}\left(x-\frac{U_0L^2}{6R^2}n_2^2 t\right)}. \end{gathered} \end{equation} % Второе преобразование~--- одовременная (чтобы $R$ не вылазило) нормировка $x$ и $t$ (избавляемся от $U_0$): % \begin{equation} \begin{gathered} A=\frac{1}{R},\quad B=0,\quad C=1,\quad D=\frac{U_0}{R},\\ \Psi(x,y,t)= -\tanh{y}+ a_1\sech^2{y}\cos{n_1\left(x-\frac{L^2}{6R^2}n_1^2 t\right)}+ a_2\sech^2{y}\cos{n_2\left(x-\frac{L^2}{6R^2}n_2^2 t\right)}. \end{gathered} \label{Psi2} \end{equation} % Подставляя отношение $L/R$ из (\ref{n2aQ}) в (\ref{Psi2}) получаем функцию тока, зависящую только от $n_{1,2}$ % \begin{equation} \Psi(x,y,t)= -\tanh{y}+ a_1\sech^2{y}\cos{n_1\left(x-\frac{2n_1^2}{3(n_1^2+n_2^2)} t\right)}+ a_2\sech^2{y}\cos{n_2\left(x-\frac{2n_2^2}{3(n_1^2+n_2^2)} t\right)}. \label{Psi2tr} \end{equation} % Следующий шаг~--- приведение дроби $n_1/n_2$ к несократимому виду. Пусть $n_1/n_2$~--- сократимая дробь. Тогда % \begin{equation} n_1=mN_1,\quad n_2=mN_2, \label{N12} \end{equation} % где $m\ne 1$~--- наибольший общий делитель $n_1$ и $n_2$, а $N_1/N_2$~--- несократимая дробь. Подставив (\ref{N12}) в (\ref{Psi2tr}), получаем % \begin{equation} \Psi(x,y,t)= -\tanh{y}+ a_1\sech^2{y}\cos{mN_1\left(x-\frac{2N_1^2}{3(N_1^2+N_2^2)} t\right)}+ a_2\sech^2{y}\cos{mN_2\left(x-\frac{2N_2^2}{3(N_1^2+N_2^2)} t\right)}. \label{Psi2tr2} \end{equation} % Соответственно, третье преобразование~--- избавление от $m$: % \begin{equation} \begin{gathered} A=D=m,\quad B=0,\quad C=1,\\ \Psi(x,y,t)= -\tanh{y}+ a_1\sech^2{y}\cos{N_1\left(x-\frac{2N_1^2}{3(N_1^2+N_2^2)} t\right)}+ a_2\sech^2{y}\cos{N_2\left(x-\frac{2N_2^2}{3(N_1^2+N_2^2)} t\right)}. \end{gathered} \label{Psi3} \end{equation} % Последнее преобразование~--- переход в систему отсчёта, движующуюся вместе с одной из волн. В какую именно~--- определяется из соотношения между амплитудами $a_1$ и $a_2$. Итак, два варианта: % \begin{equation} \begin{gathered} A=C=D=1,\quad B_1=-\frac{2N_1^2}{3(N_1^2+N_2^2)},\quad B_2=-\frac{2N_2^2}{3(N_1^2+N_2^2)}\\ \Psi_1(x,y,t)= -\tanh{y}+ a_1\sech^2{y}\cos{N_1 x}+ a_2\sech^2{y}\cos{(N_2x+\omega_2t)}+C_2y,\\ \Psi_2(x,y,t)= -\tanh{y}+ a_1\sech^2{y}\cos{(N_1x-\omega_1t)}+ a_2\sech^2{y}\cos{N_2 x}+C_1y,\\ \omega_1=\frac{2}{3}\frac{N_1^2-N_2^2}{N_1^2+N_2^2}N_1,\quad \omega_2=\frac{2}{3}\frac{N_1^2-N_2^2}{N_1^2+N_2^2}N_2,\quad C_1=\frac{2N_2^2}{3(N_1^2+N_2^2)},\quad C_2=\frac{2N_1^2}{3(N_1^2+N_2^2)}. \end{gathered} \label{Psie} \end{equation} % Преобразование от (\ref{orpsi}) к (\ref{Psie}) и обратно % \begin{equation} \begin{gathered} x'_{1,2}=\frac{mx}{R}-C_{2,1} \frac{mU_0}{R} t,\quad y'=\frac{y}{L},\quad t'=\frac{mU_0}{R}t,\\ x=\frac{(x'_{1,2}+C_{2,1} t')R}{m},\quad y=Ly',\quad t=\frac{R}{mU_0}t'. \end{gathered} \end{equation} % Два вывода. Во-первых, динамика системы полностью определяется двумя контрольными параметрами (не считая амплитуд, конечно) $n_1$ и $n_2$. Во-вторых, эти два контрольных параметра определяются аж четырьмя физическими параметрами, которые могут меняться в эксперименте. Это приводит к большой свободе в выборе $n_1$ и $n_2$. Для связи с экспериментом нам нужно указать значения волновых чисел (определяется геометрия потока) и амплитуды при которых происходит тот или иной эффект. Далее экспериментаторы подбирают параметры установки (ширина струи, длина канала, максимальная скорость сдвигового потока). Гипотеза: разрушение центральной инвариантной кривой $CIC$ (полученной итерациями одной из индикаторных точек системы) при минимальной амплитуде возмущения стоит ожидать при определённых соотношениях между частотой стационарной системы (сдвиговый поток + волна Россби) и частотой возмущения (вторая волна Россби). Для проверки гипотезы нам необходимо выбрать такую пару $N_1-N_2$, для которой частоты стационарного потока и частота возмущения будут равны или кратны. \section{Стационарная функция тока, особые точки и бифуркации} Рассмотрим случай, когда одна из амплитуд $a_1$ или $a_2$ равна нулю. Тогда, одна из функции тока в (\ref{Psie}) будет стационарной. Применив нормировку (\ref{coordtrans}) с параметрами $A=D=N_{1,2}$, $B=0$, $C=1$ и убрав индексы у переменных ($C_{1,2}$ заменим на маленькую $c$, чтобы не путать с $C$ из (\ref{coordtrans})), получаем стационарную функцию тока Исходная функция тока % \begin{equation} \Psi=cy-\tanh y+a\sech^2 y\cos x. \label{psi_stat} \end{equation} % Стационарные уравнения движения % \begin{equation} \begin{gathered} \dot x=\sech^2y\left(1+a\tanh y\cos x\right)-c,\\ \dot y=-a\sech^2y\sin x. \end{gathered} \label{Dyneq_stat} \end{equation} % Для нахождения стационарных точек приравняем нулю правые части системы (\ref{Dyneq_stat}). Из второго уравнения сразу получаем, что стационарные точки находятся при $x=2\pi n$ и $x=\pi+2\pi n$, где $n$~--- целое число. Подставляя $x$ в первое уравнение, получаем % \begin{equation} \begin{aligned} \sech^2y\left(1+2a\tanh y\right)-c=&0, &x&=2\pi n,\\ \sech^2y\left(1-2a\tanh y\right)-c=&0, &x&=\pi+2\pi n. \end{aligned} \label{ur_y} \end{equation} % Применив формулу $\sech^2y=1-\tanh^2y$ и обозначив $z=\tanh y$ получаем % \begin{equation} \begin{aligned} (1-z^2)(1+2az)-c=&0, &x&=2\pi n,\\ (1-z^2)(1-2az)-c=&0, &x&=\pi+2\pi n. \end{aligned} \label{ur_z} \end{equation} % Корни обеих уравнений совпадают с точностью до знака, так что в дальнейшем достаточно рассмотреть только первое уравнение % \begin{equation} 2az^3+z^2-2az+c-1=f(z)=0. \label{ur_z_main} \end{equation} % В силу того, что $f(\pm 1)=c>0$, а $f(0)=c-1<0$ ($c<2/3$, что следует из определения $C_{1,2}$ в (\ref{Psie})), очевидно существование у уравнения (\ref{ur_z_main}) трёх корней. \begin{enumerate} \item Корень на луче $(-\infty,-1)$. Этот корень не имеет физического смысла, так как из определения $z$ следует, что $|z|<1$. \item Корень на отрезке $(-1,0)$. \item Корень на отрезке $(0,1)$. \end{enumerate} Таким образом, в системе имеется четыре стационарных точки. Анализ устойчивости сравнительно громоздок, но прост. При $x=0$ верхняя точка неустойчива, нижняя~--- устойчива. При $x=\pi$~--- наоборот. Анализ сепаратрис не удался, но численно определить кривую, на которой происходит бифуркация перестройки сепаратрис вполне возможно. % \begin{figure}[!htb] \begin{center} \includegraphics[width=0.8\textwidth]{ccrit.eps} \caption{Диаграмма состояний системы на плоскости $a$~-- $c$. Зона I~--- гетероклинические сепаратрисы. Зона II~--- гомоклинические сепаратрисы.} \end{center} \label{phase_diag} \end{figure} % \subsection{Анализ резонансных условий} Проведём аналитическую оценку значений частот стационарной системы и возмущения, удовлетворяющих условию баллистического резонанса. Стационарная система~--- это течение созданное сдвиговым потоком и одной из волн Россби. Рассмотрим случай когда $a_1>a_2$ (напомним, что в принятой нормировке $N_1>N_2$), т.~е. вторая волна является возмущением: % \begin{equation} \begin{gathered} \frac{d x_1}{d t}=-C_2+\sech^2{y}[1+2 a_1\tanh{y}\cos{N_1 x}+ 2 a_2\tanh{y}\cos{(N_2 x+\omega_2 t)}],\\ \frac{d y_1}{d t}=-\sech^2{y}[a_1 N_1\sin{N_1 x}+ a_2 N_2\sin{(N_2 x+\omega_2 t)}]. \end{gathered} \label{system} \end{equation} % Исходя из поставленной задачи~--- определение условий разрушения центральной инвариантной кривой, интерес представляет центральная часть стационарного потока. Грубая оценка (при $a_1\approx 0$) максимальной зональной скорости в указанной области потока получается из уравнений адвекции (\ref{system}): % \begin{equation} \begin{gathered} \frac{d x_1}{d t}=-C_2+1. \end{gathered} \label{velos} \end{equation} % Соответственно, максимальная частота $f_{1}=-C_2+1$. Условие баллистического резонанса для центральной области имеет вид\footnote{Michael: Упрости выражение.}: % \begin{equation} \begin{gathered} \frac{f_{1}}{\omega_2}=(1-\frac{2N_1^2}{3(N_1^2+N_2^2)})/ (\frac{2}{3}\frac{N_1^2-N_2^2}{N_1^2+N_2^2}N_2)=k_1. \end{gathered} \label{rez} \end{equation} % Для случая $a_1N_2$, $N_1,N_2\in[1,11]$) построены диаграммы характеристик $CIC$ в зависимости от амплитуд волн Россби. Нечётные значения $N_1-N_2$ рассматриваются из-за особенностей численного алгоритма, основанного на свойствах симметрии потока. На диаграммах хорошо различима граница разрушения (``критическая граница'') $CIC$. Критерием окончания счёта каждой из диаграмм является достижение в численном эксперименте максимального времени счёта $t_{max}=5000$ периодов возмущения. Т.е. счёт не прекращается даже если $CIC$ разрушена - таким образом, на выходе мы получаем информацию о свойствах центральной хаотической струи. Центральная хаотическая струя - область центрального потока, образующаяся на месте разрушенной $CIC$ и окружавших её инвариантных кривых. О существовании центральной хаотической струи стоит рассуждать когда мы находимся далеко от границ разрушения $CIC$ на приведённых диаграммах. В обозначениях файлов: $L$ - длина $CIC$; $y_{max}$ - модуль максимального отклонения $CIC$ (высота горба); $d$ - площадь центральной стохастической струи (область потока которую заметают точки сечения Пуанкаре разрушенной $CIC$); $wind number$ - число обращений (= (число фреймов)/(число периодов возмущения)). Предварительный анализ диаграмм чисел обращения указывает, что в допустимом интервале значений амплитуд волн Россби (при больших значениях происходит изменение топологии потока) спайки (т.е. разрушение $CIC$) наблюдаются при пересоединении многообразий полуцелых резонансов. Подтверждением этого служит тот факт, что $wind number$ у спайков на всех приведённых картах меньше единицы и находятся в интервале значений $[0.7:0.3]$. Т.о. резонансное разрушение $CIC$ крайне чувствительно к выбору амплитуд и волновых чисел. Рассмотрим случай $5-1$. Диаграммы параметров: $5_1L.bmp, 5_1y.bmp, 5_1wind number.bmp$. На последней диаграмме хорошо разрешим спайк при $a_1=[0.23:0.25]$, и амплитуде возмущения $a_2=0.1$ и с числом вращения ~[0.4:0.45]. На рис. $line_51.eps$, приведён срез диаграмм для $a_1=[0.23:0.27]$, $a_2=0.1$. Далее строится сечение Пуанкаре для параметров при которых разрушена $CIC$ (см. рис.$5_1pu$ ) $a_1=0.2415$, $a_2=0.1$. Синие точки следы баллистических (относительно выбранной системы отсчёта) траекторий, зелёные - хаотических, красные осцилляторных, чётные точки - следы хаотической траектории с НУ $CIC$ (индикаторная точка). На рис. $5_1wind.eps$ (верхняя панель) приведён профиль числа обращения для отрезка $x=0.6$, $y=[-0.9:-0.3]$ ($a_1=0.2415$, $a_2=0.1$). Синие точки соответствуют начальным траекториям с НУ попавшими на остров баллистического резонанса $7:3$ ($wind number = 3/7$ - частица в острове пролетает 3 фрейма за 7 периодов возмущения) вблизи $CIC$. На рис.$5_1freqmap.bmp$ приведена частотная карта стационарного потока ($a_2=0$, $a_1=0.2415$). На рис. $5_1pupoint.eps$ - приведёно сечение Пуанкаре (жирные точки) и траектория для частицы (зелёная кривая) с НУ на острове баллистического резонанса $7:3$. На сечениях Пуанкаре рис. $5_1CIC.eps$ и $5_1CIC_reconnection.eps$ показаны метаморфозы $CIC$ и близких инвариантных кривых при пересоединении многообразий островов баллистического резонанса $7:3$. Вывод: показано что разрушение $CIC$ (как транспортного барьера) возможно при малых амплитудах возмущения ($a_1>a_2$ и $N_1>N_2$). Причина разрушения - резонансный характер взаимодействия стационарной системы (сдвиговый поток + волна Россби) и внешнего возмущения (вторая волна Россби). Такое разрушение наблюдается не для всех пар $N_1$ и $N_2$, т.к. частоты стационарной системы и возмущения зависят от $N_1$ и $N_2$. + указать наиболее удачные пары и амплитуды. Для наблюдения разрушения $CIC$ и пересоединения многообразий в эксперименте необходимо, например, создать поток с $N_1=5$ и $N_2=1$ и амплитудами волн $a_1=[0.24, 0.244]$ и $a_2=0.1$. При вариации амплитуды первой волны в указанном диапазоне значений на фотографиях ожидаются изображения подобные на рис. $5_1CIC.eps$ и $5_1CICreconnection.eps$. Важно отметить, что наши результаты применимы для интерпретации эксперимента лишь, тогда, когда применимо уравнение Релея-Куо для описания динамики потока. Остаётся открытым технический вопрос о визуализации центральной стохастической струи. Дальнейшее исследование направлено на изучение топологии центральной стохастической струи (расчёт её площади в зависимости от амплитуд волн). Интерес представляет неоднородная окраска областей разрушенной $CIC$ на $L$ и $d$-диаграммах. Также планируется исследование потоков с чётно-нечётными парами волновых чисел. Анализ площадей - Чётно-нечётные пары - граница перехода, СП, связь с аналитической оценкой резонансных условий. + ? бифуркации стох. слоя. \end{document}