英国与法国研究人员通过一项实验室实验，重现了支撑地球大气关键特征的能量与角动量“级联”过程，并获得关于湍流能量波动随尺度变化的新证据。该研究由牛津大学Peter Read团队主导，相关结果已发表于《物理评论快报》。
大气湍流的尺度难题
研究人员指出，尽管地球大气系统高度复杂，但其若干大尺度特征可用相对简化的数学规律刻画，其中核心概念之一是能量与旋转运动在不同尺度流动之间的级联：从跨越数千公里的急流到仅数米尺度的小涡旋。
在现代大气理论框架下，流动尺度与其波动所含动能之间存在反比关系，研究人员据此使用动能谱描述湍流，并用于追踪能量在不同长度尺度上的分布。
不过，研究团队表示，实际测量得到的能谱与主流模型预测之间仍存在明显差异。尽管飞机观测提供了大量数据，但受限于狭窄的飞行路径，构建完整的全球大气湍流图景仍具挑战。
旋转水箱构建类大气环流
为减少观测限制并在可控条件下研究级联过程，Read团队搭建了模拟行星大气物理的实验装置：一个旋转的圆柱形水箱，内壁中央设置隔板，隔板间隙填充深24厘米的水-甘油混合液。
实验中，圆柱以每分钟0.5至10转的速度旋转，同时施加温度梯度：外壁底部加热以模拟温暖的赤道区域，内壁附近冷却以代表极地。研究人员称，该装置产生的对流流动与大气环流表现出高度相似性。
团队通过向流体加入微小颗粒并追踪其运动，对湍流结构进行细致观测，从而在较宽尺度范围内捕捉能量与旋转运动的传递过程。
能谱特征与“双向级联”现象
基于实验数据，研究人员得以直接计算能量与角动量的级联。在最大尺度上，动能谱呈现快速下降，意味着随着流动尺度变小，波动能量迅速减少；而在更小尺度上，能谱趋于平缓，显示波动能量在尺度继续减小时仍保持相近水平，这一特征与大气观测结果一致。
实验还显示出明显的“双重行为”：能量表现为向上级联，即从小尺度涡旋向大尺度流动传递；角动量则呈向下级联，即从大尺度涡旋向小尺度涡旋传递。研究人员认为，这种相反方向的传递有助于解释大尺度上更陡峭的能量谱形态。
在两类级联中，级联强度会随旋转速度加快以及壁面温差增大而增强。与此同时，团队还观察到级联强度与流体内部的垂直温差存在依赖关系，而这一特征并未被当前大气模型所预测，其成因目前仍不明确。
对大气模拟的启示
研究团队表示，这些结果有望帮助气候学界更好理解地球大气如何在能量与角动量耦合级联作用下形成其关键结构，并为改进相关模型提供实验依据。
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